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Vincenzo Peretti » 14.QTL e geni maggiori. MAS.


QTL e geni maggiori. MAS.

I caratteri produttivi di interesse zootecnico sono in gran parte quantitativi: la loro manifestazione è cioè considerata come il risultato dell’azione di un grande numero di loci (poligeni) i cui effetti molto piccoli (infinitesimi) si sommano dando luogo alla espressione fenotipica del carattere (es. la produzione del latte).
È poco probabile che tutti i geni che influenzano la produzione del latte abbiano un’azione infinitesima, cioè che una sostituzione allelica in uno di essi determini una variazione piccolissima nella quantità di latte prodotto.
Ipotesi più REALISTICA: esistenza sia di loci ad effetto infinitesimo, che rappresentano la maggior parte, sia di altri che esercitano un’influenza tale da non poter passare inosservata.

Questi ultimi sono chiamati QTL: Quantitative (Quantitativo) Trait (Carattere) Locus, cioè locus che esercita un effetto su un carattere quantitativo.
I QTLs sono distinti in due gruppi:

  1. Geni Maggiori: si evidenziano mediante l’uso dei dati fenotipici e delle informazioni sulle parentele;
  2. QTL veri e propri: per evidenziarli è necessario ricorrere all’uso dei marcatori genetici.

L’individuazione di QTL e di geni maggiori rappresenta un vantaggio per il miglioramento genetico, sia in termini di migliore comprensione del determinismo genetico dei caratteri quantitativi sia, soprattutto, in termini di miglioramento dell’efficienza degli schemi di selezione, soprattutto nel caso di caratteri a bassa ereditabilità o che possono essere misurati in un solo sesso.

QTL e geni maggiori. MAS. (segue)

GENI MAGGIORI
Gene Maggiore o ad effetto maggiore è un gene che ha influenza su un carattere quantitativo.
L’effetto deve essere tale da poter essere evidenziato dai soli dati produttivi e dalle informazioni sulle parentele.

Un esempio molto noto di gene maggiore è quello del Gene Booroola, identificato nella razza ovina australiana Merinos, che influenza la prolificità. La Merinos (M), razza specializzata per la produzione della lana, è caratterizzata da una modesta prolificità (valore medio pari a 1,2 nati per parto). Esiste però un ceppo, denominato appunto Booroola (MB), che presenta valori medi di 2,5 nati/parto.
Attualmente, si ritiene che al locus Booroola esistano almeno due alleli:

  1. F : alta prolificità ed è frequente nelle MB.
  2. + : normale prolificità e diffuso nella M.

La distinzione degli animali sulla base del loro genotipo è basata sui dati fenotipici, che consistono non nel numero di nati per parto, bensì in un carattere ad esso fortemente correlato: il tasso di ovulazione (TO), cioè il numero di cellule uovo che l’animale produce nel corso di un ciclo sessuale.
I tre genotipi possibili vengono così distinti:

  • FF : pecore che hanno avuto nel corso della loro carriera riproduttiva almeno un volta un TO ≥ 5;
  • F+ : pecore che hanno avuto nel corso della loro carriera riproduttiva almeno una volta un TO ≥ 3 ma mai superiore a 4;
  • ++ : pecore che nel corso della loro carriera riproduttiva non hanno mai avuto TO > 2.

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L’effetto dell’allele F sulla prolificità è stato stimato pari ad 1 agnello per parto:
una pecora con genotipo F+ produce in media 1 agnello in più per parto rispetto ad una con genotipo ++.
Grazie all’ingegneria genetica, il gene Booroola è stato localizzato sul cromosoma 6 della specie ovina.
Non è stato ancora capito il ruolo biochimico del gene Booroola, cioè non si conosce quale sia il prodotto diretto della sua attività (un enzima, un ormone etc.).
L’identificazione del gene Booroola è stata possibile grazie all’osservazione dei fenotipi (prolificità o TO) e della trasmissione del carattere entro le famiglie (conoscenza dei rapporti di parentela).
In altri casi l’effetto del singolo locus, pur essendo di una certa entità (cioè non infinitesimale), non è rilevabile in questo modo, ma bisogna ricorrere all’uso di marcatori genetici. Questo è il caso dei QTL propriamente detti.

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LINKAGE
Se due geni si trovano molto vicini su un cromosoma, la possibilità che tra essi avvenga una ricombinazione è piuttosto bassa. In questo caso i loci si dicono associati oppure sono in linkage.
Conseguenza del linkage: all’atto della meiosi, la trasmissione degli alleli di due geni associati non avviene in maniera indipendente ma le combinazione alleliche presenti nei cromosomi parentali le ritroviamo anche nei cromosmi presenti nei gameti.
Quando due geni sono in linkage, la seconda legge di Mendel sull’assortimento indipendente degli alleli nei gameti non è più valida: si parla di disequilibrio di associazione (linkage disequilibrium).

Esempio di linkage tra alleli di due geni associati.

Esempio di linkage tra alleli di due geni associati.


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Il linkage sta alla base dell’utilizzazione dei marcatori genetici.
L’impiego di un marcatore genetico si basa sul fatto che, esistendo una forte associazione tra esso ed il gene oggetto di studio, la segregazione degli alleli dei due loci non è indipendente (esiste il disequilibrio di associazione).
Più due geni sono vicini fra loro più è raro che durante la meiosi si verifichi il crossing-over.

La fase di associazione allele marcatore-allele gene di interesse cambia da famiglia a famiglia e, entro la stessa famiglia, può cambiare con il passare delle generazioni (possibilità che si verifichino crossing over).

Esempio di linkage tra alleli di due geni associati.

Esempio di linkage tra alleli di due geni associati.


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Il marcatore genetico:

  1. deve essere strettamente associato con il gene oggetto di studio poiché più i due loci sono vicini, minore è la probabilità che tra essi si verifichi una ricombinazione. Distanza massima tra marcatore genetico e gene non deve superare i 20 cM.
  2. deve presentare un elevato polimorfismo (cioè avere più alleli).
  3. deve avere una sicura e facile identificazione genotipica.
  4. deve avere un meccanismo ereditario di tipo mendeliano semplice.

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Altri GENI MAGGIORI che influenzano le produzioni zootecniche sono:

  1. il gene alotano, evidenziato nei suini, che influenza la qualità della carne;
  2. il gene dell’ipertrofia muscolare, evidenziato in alcune razze bovine da carne (Blu Belga, Charolaise, Piemontese) che determina la presenza della cosiddetta “doppia coscia”, caratteristica di pregio per gli animali destinati alla produzione della carne;
  3. il gene della caseina αs1 che, nei caprini, influenza il contenuto proteico del latte;
  4. il gene Weaver, messo in evidenza nella razza Bovina Brown, che è responsabile di una malattia che colpisce il sistema nervoso dei bovini, ma che influenza (sicuramente in maniera indiretta) anche la quantità di latte prodotto.

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GENE ALOTANO
Il gene Hal si trova in un gruppo di sintenia o associazione di cui fa parte anche il gene dell’enzima fosfoesoso isomerasi (PHI), enzima presente nei globuli rossi, che può essere usato come marcatore genetico.
Il genotipo degli animali al locus PHI, che presenta due alleli (A e B) codominanti è facilmente determinabile mediante elettroforesi.
Nel caso dei loci Hal e PHI si stabilisce una associazione fra alleli che rimane fissa nelle generazioni successive.
Il figlio B (Immagine in alto), che è l’unico di cui conosciamo con certezza il genotipo Hal, è anche l’unico omozigote BB al locus PHI.
Poiché i loci PHI e Hal sono associati, le loro combinazioni alleliche (aplotipi) si mantengono fisse e siccome B è nn nel locus Hal e BB nel locus PHI, l’aplotipo Hal-PHI sarà nB. Ogni volta che nel locus PHI c’è l’allele B, nel locus Hal vi sarà l’allele n e, viceversa, A sarà associato ad N.
NB: la fase di associazione PHI-Hal (A-N e B-n) è valida solo per la famiglia oggetto di studio e non può essere estesa a tutta la popolazione suina!!! Inoltre, condizione indispensabile è che nella famiglia sia presente almeno un componente positivo al test alotano.

Esempio di linkage tra alleli di due geni associati.

Esempio di linkage tra alleli di due geni associati.

Esempio di linkage tra alleli di due geni associati.

Esempio di linkage tra alleli di due geni associati.


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GENE DELL’IPERTROFIA MUSCOLARE (DOPPIA COSCIA) NEI BOVINI DA CARNE

Tale carattere si manifesta in diverse razze bovine: la razza dove è stato maggiormente studiato è la Blu Belga; tra le razze italiane esso è presente nella razza Piemontese e anche in quella Marchigiana. A livello fenotipico, gli animali con il carattere doppia coscia, presentano:

  1. una ipertrofia muscolare generalizzata di circa il 20%, mentre tutti gli altri organi sono di dimensioni ridotte;
  2. tessuto muscolare con contenuto adiposo ridotto sino al 40% ed anche minore contenuto di tessuto connettivo;
  3. indice di conversione alimentare inferiore del 9% rispetto alla norma;
  4. aumento delle distocie (+15%) a causa del maggiore peso alla nascita ed alla conformazione dei vitelli.

Il gene responsabile del carattere della doppia coscia ha due forme alleliche: una normale (+) ed una che determina l’ipertrofia muscolare (mh). A livello genomico è stato identificato nel gene della miostatina (GDF8), un enzima che esercita una funzione di regolazione negativa sullo sviluppo delle masse muscolari e che nel bovino è localizzato sul cromosoma 2.

Le variazioni genetiche che hanno causato la formazione dell’allele mh sono:

  • nella Piemontese: una mutazione alla posizione 938 del terzo esone;
  • nella Blu Belga: una delezione di una sequenza di 11 basi (819-829) nel terzo esone che determina una prematura interruzione nella fase di traduzione;
  • nella Marchigiana: una sostituzione transversione Guanina – Timina in posizione 874.

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INDIVIDUAZIONE DI UN QTL

Teoricamente: raggruppare gli animali in base all’allele del marcatore prescelto e vedere, se i due gruppi così costituiti, differiscono tra loro nel carattere produttivo oggetto di studio.
Per ovvi motivi di ordine economico e tecnico non è proponibile.

Un sistema più utilizzato è il DAUGHTER DESIGN
Un toro è eterozigote ad un locus marcatore M (M1 M2).
Si separano le figlie sulla base dell’allele marcatore M che hanno ereditato dal padre: in un gruppo tutte quelle che hanno M1 e nell’altro quelle che hanno M2.
Si confrontano le medie produttive dei due diversi gruppi.
Se le medie dei due gruppi, opportunamente corrette per i principali fattori zootecnici che influenzano la produzione (ordine di parto, tipo di parto etc.), sono diverse in maniera statisticamente significativa possiamo concludere che entro la famiglia di quel toro è associato al locus M un qualcosa (forse un QTL) che influenza la produzione del latte.

Invece nel SELECTIVE DNA GENOTYPING i due gruppi sono costituiti sulla base dei valori estremi delle produzioni = 200 peggiori figlie e 200 migliori figlie.
Si tipizza il loro genoma con un numero elevato di marcatori.
Si ricerca associazione tra tutti i marcatori e il carattere quantitativo con metodi di analisi statistica appropriati.

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Cercare un QTL significa confrontare gruppi di animali sufficientemente numerosi.

Il budget di un progetto di mappaggio di QTL deve quindi trovare un optimum tra:

  1. N di animali/marcatori da tipizzare;
  2. grandezza dell’effetto del QTL che si cerca.

Se il QTL ha un grande effetto sul carattere bastano pochi animali.
Se N è troppo piccolo rischiamo di trovare il QTL, ma di non vederlo.

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MAS – MARKER ASSISTED SELECTION

I marcatori genetici possono essere usati per ricercare associazioni con i singoli loci che contribuiscono ai caratteri quantitativi di importanza economica (QTL e ETL).
L’individuazione di associazione di questo tipo permette di frazionare un carattere quantitativo a variazione continua in un certo numero di loci mendeliani a variazione discontinua, chiaramente identificabili, e di attuare una selezione assistita da marcatori.
Infatti se un allele di un locus ad effetto quantitativo e un marcatore sono geneticamente associati, saranno trasmessi dai genitori ai figli in modo congiunto.
Pertanto utilizzando gli alleli dei marcatori per il carattere in selezione si potranno scegliere gli animali portatori delle varianti più favorevoli.
La MAS può influire favorevolmente su tutti i fattori che determinano il progresso genetico (accuratezza della selezione, intensità della selezione e intervallo di generazione).

QTL e geni maggiori. MAS. (segue)

La MAS può aumentare l’efficacia della seleziona attuata solo sulla base delle performance, soprattutto per caratteristiche che si esprimono in un solo sesso (produzione latte, numero di nati) o difficilmente misurabili su animali vivi (caratteristiche della carcassa e della carne).
La risposta alla selezione effettuata con i microsatelliti è più elevata nelle prime generazioni di selezione. A seguito dell’aumento delle frequenze alleliche fino alla fissazione degli alleli favorevoli del QTL, la varianza genetica residua della popolazione diminuisce e con questa la possibilità di risposta nel lungo periodo.
L’impiego della MAS comporta un guadagno di tempo, arrivando prima alla fissazione del QTL nella popolazione.
La riduzione della risposta alla MAS nel lungo periodo non si ha se è applicata nelle fasi o in gruppi di animali in cui non si applica selezione fenotipica (es. preselezione tori destinati al progeny test).

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