dijous, 25 d’agost de 2016

Genética del comportamiento canino: revisión

Este post empezó queriendo comunicar simplemente la publicación de un estudio muy reciente en el que investigadores han concretado los componentes genéticos del miedo y la agresión en perros. No obstante, al empezar a leer el artículo me he dado cuenta de porqué tuve que hacerme bastantes chuletas para aprobar la asignatura de selección genética (y con cierta ironía he meditado en lo que pagaría ahora para poder volver a asistir a aquellas clases...). 

Así que el post está dividido en dos partes, Introducción a la cartografía genética y Genética del comportamiento canino. En la primera parte, lo que he hecho es un pequeño "resumen conceptual" para aclararme las ideas y poder entender el articulo (y no quedarme solamente en el titular, que por otro lado es algo que todos sabemos o intuimos). La segunda parte reviso varios artículos en los que se han rastreado rasgos de comportamiento interesantes en el genoma del perro, y sus implicaciones en medicina veterinaria (e incluso otras ciencias).  

Debido a la complejidad de muchos conceptos y nombres técnicos que resultarían difíciles de interpretar para el traductor de google, hemos decidido hacer una excepción y publicar este post en castellano para llegar a un mayor número de personas sin que existan malinterpretaciones debido al traductor. Perdoneu les molèsties ;)

INTRODUCCIÓN A LA CARTOGRAFÍA GENÉTICA

La diversidad entre organismos es consecuencia de las diferencias en las secuencias de ADN y de los efectos ambientales (fenotipo). Desde la prehistoria, el hombre ha seleccionado y mejorado especies vegetales, animales y microbianas basándose en esta diversidad y seleccionando el dicho fenotipo. Las mejoras genéticas eran posible gracias a la variabilidad genética, a la heredabilidad del carácter que se quería aislar, a la eficacia e intensidad de la selección aplicada, y al tiempo necesario para realizar un ciclo de selección. Sin embargo, quedan muchos aspectos desconocidos, como son el número y efecto de los genes implicados en la expresión de un carácter, la localización de estos genes, y su función fisiológica. Los criterios utilizados carecían muy a menudo de definición y objetividad y, en cualquier caso, eran marcadores ambiguos debido a las influencias ambientales. 

Conceptos antes de empezar:

  • El ADN se distribuye a lo largo de los cromosomas, que en los perros son 39 pares de cromosomas (38 homólogos y un par de cromosomas sexuales). Cada uno de los miembros de un par es heredado de uno de los dos progenitores.
  • Un locus – loci en plural- se refiere a una región específica en un cromosoma, como la posición de un gen o de un marcador.
  • Una variante de la secuencia del ADN en un determinado locus se llama alelo, dado que nuestras células son diploides, y hay dos posibles secuencias de ADN heredadas independientemente para un locus determinado y un individuo.
    http://www.lhasa-apso.org/genetics/diversity.html
  • Estos dos alelos forman el genotipo de ese individuo para ese locus en particular.
  • Se denomina ligamento a la herencia conjunta de los genes que están ubicados en el mismo cromosoma (la tendencia de los alelos de los locus cercanos entre sí a heredarse juntos como un bloque). Por lo tanto, no cumplen la ley de transmisión independiente de Mendel (a diferencia de los loci dispuestos en cromosomas separados).
  • La lista ordenada de locus conocidos para un genoma particular se denomina mapa genético, mientras que el proceso para determinar el locus de un determinado carácter biológico se llama cartografía genética.
  •  Los genes ligados y su estudio nos permite elaborar mapas de ligamiento y saber la distancia entre ellos en el cromosoma.
  • En la mayor parte del genoma, la secuencia de ADN es idéntica para todos los perros, por lo tanto se trataría de loci monomórficos.
  • Para una proporción de loci se han detectado una serie de mutaciones que se han mantenido a lo largo del tiempo y que consisten en un cambio de base en las secuencias de ADN, lo que implica que existan diferentes alelos para un locus determinado – loci polimórficos.
  • En los estudios de asociación poblacionales los polimorfismos más habituales objeto de estudio son los SNP (single nucleotide polymorphisms): es la sustitución de un solo nucleótido que ocurre en una posición específica del genoma, presente en al menos un 1% de la población.
    https://biogeniq.ca/en/articles/snp/
     
Afortunadamente la aparición de los marcadores moleculares está ayudando a eliminar los inconvenientes de una selección basada en el análisis exclusivo del fenotipo, así como también a la identificación de especies de una forma más rigurosa. Un marcador genético (o molecular) es un segmento de ADN con una ubicación física identificable (locus) en un cromosoma y cuya herencia genética se puede rastrear. Los marcadores se usan para el mapeo genético como el primer paso para encontrar la posición e identidad de un gen.

Cuando varios marcadores moleculares se asocian inequívocamente con un rasgo genético, se dice que forman un QTL (locus de rasgos cuantitativos o cuantificables).

  • QTL (quantitative trait locus) es un locus cuya variación alélica está asociada con la variación de un carácter cuantitativo, es decir, con aquellos caracteres cuantificables que varían de forma continua.
  • Los QTL son difíciles de identificar debido a la ausencia de una segregación fenotípica discreta observable.  El análisis de los QTL para un carácter involucra en primer lugar escoger y cruzar dos líneas parentales que difieran en uno o más caracteres cuantitativos y, posteriormente, analizar la segregación de la descendencia para relacionar cada QTL con un marcador genético conocido.
  • El método moderno utilizado para localizar y cartografiar los QTL implica buscar asociaciones entre marcadores de ADN y fenotipos. Por ejemplo, a partir de individuos procedentes de dos líneas creadas a través de selección artificial que son divergentes para un fenotipo (llamadas recombinant inbred lines o RILs). A lo largo de muchas generaciones de selección artificial surgen dos líneas divergentes altamente homocigóticas. Los individuos de estas líneas con fenotipos divergentes se usan como progenitores para crear la F1 (que serán heterocigóticos). Si cruzamos los individuos de la F1 entre sí o los de la F1 con líneas paternas obtenemos la generación F2 con diferentes partes de genomas paternos y por tanto con diferentes QTL que podemos identificar.
  • http://journal.frontiersin.org/article/10.3389/fgene.2012.00198/full


Conceptos sobre Estudios de asociación genética:


Mapas de ligamiento / mapas de recombinación: se basan en marcadores conocidos (típicamente SNPs) que están cerca del gen responsable de una enfermedad o rasgo genético dentro de una familia. Funcionan muy bien en rasgos y enfermedades monogénicas (un solo gen implicado).

QTL mapa / mapa intervalo: para caracteres cuantitativos (como la altura, el peso…) que son poligénicos (varios genes implicados). Funciona igual que los mapas de ligamiento excepto porque el fenotipo es continuo (no cualitativo) y los marcadores se colocan en un esquema de puntuación para medir su contribución.

GWAS (Genome-wide association study): es un análisis comparativo de una variación genética a lo largo de todo el genoma de una especie el objetivo de identificar su asociación con un rasgo observable. Mide la asociación entre dichos SNPs con los rasgos observables (como las principales enfermedades).

En resumen, el mapeo por ligamiento y el QTL son similares en el hecho en que se basan en la herencia mendeliana para aislar locus. QTL y GWAS son similares en que miden la asociación en términos de probabilidades a lo largo de un mapa genético y no hacen responsable un gen o locus. Por último, el mapa de ligamiento y GWAS están relacionados con enfermedades y rasgos categoriales.

GENÉTICA DEL COMPORTAMIENTO CANINO


En la última década, el perro se ha convertido en un excelente sistema para el análisis genético de fenotipos complejos [1]. El motivo son las ventajas que ofrece la estructura de esta población respecto a la de otros mamíferos:
  • Actualmente existen más 350 razas diferentes de perros reconocidas, de las cuales la gran mayoría han sido aisladas y seleccionadas por su morfología y comportamiento.  
  • En muchos casos, las nuevas razas se han desarrollado a partir de individuos de razas concretas, con una fuerte selección de los fenotipos deseados (habilidad para la caza, color del pelaje, forma del cráneo, talla, etc.), hecho que aumenta el número de genotipos seleccionados en la población actual. Para registrar un individuo de raza, ambos padres deben estar registrados como miembros de la misma raza. En consecuencia, la heterogeneidad es reducida dentro de la raza, pero muy elevada entre razas [2,3]. Por lo tanto, muchos fenotipos son fijos o a punto de ser fijados en un gran número de poblaciones.

Estas razas de perros en las cuales regiones del genoma están “fijas” (homocigotos), se podrían considerar líneas puras o RILs. Por lo tanto, asociar genotipos específicos de la raza (SNPs) con fenotipos “fijados” en múltiples razas (mapeo entre razas) resulta en una potente herramienta para identificar locus de rasgos cuantitativos (QTL) que formarían la base genética para la diversidad fenotípica observada en las razas de perros [1].


En el estudio de Jones et al, se calificaron 2801 perros de 148 razas de perros para varios parámetros fenotípicos como la altura, el peso, forma del hocico, longitud y curvatura de la cola, etc…  así como cuatro patrones distintos de comportamiento: muestreo, pastoreo, intrepidez y adiestrabilidad.

En este estudio, se identificó el loci para el muestreo en el cromosoma 8 (CFA8), 3 loci para el patrón de pastoreo (en cromosomas 1, 4 y 15), y aún ser un carácter subjetivo, se encontró un loci estadísticamente significativo para el rasgo “adiestrabilidad” en el cromosoma 10, y 5 locis para la “intrepidez” (versus timidez) en los cromosomas 15, 22, 1, 4 y 17 (con diferentes grados de significancia). En conjunto, propusieron 5 genes candidatos con los rasgos citados.  

Estos datos se corroboran en el estudio de 2011 de Vaysse et al, en el cual llevaron a término un GWAS para buscar variantes que afectaran las diferencias de comportamiento entre razas.

Con toda esta información, y dejando volar la imaginación, nos podemos hacer una pequeñísima idea de lo que suponen estos hallazgos en el diagnóstico y especialmente, en la prevención de trastornos genéticos relacionados con la ansiedad, la agresividad, la depresión, etc… ya no sólo en perros sino también en humanos utilizando los canes como modelos para el análisis genético (debido a la dificultad de llevar a cabo mapas de desequilibrio de ligamento (GWAS) en comportamiento humano [5].   
De hecho, la robustez de la utilización de los modelos caninos de genética compleja se ha explotado ampliamente en el área del cáncer [6], y recientemente también en comportamiento.

El más reciente estudio, publicado en 2016 nos abre las puertas a este nuevo enfoque. Los investigadores del Nationwide Children’s Hospital constatan que la predisposición genética de la agresión hacia el propietario o hacia un perro de la familia es distinta a la del miedo y la agresión a miembros desconocidos (humanos y perros). Los investigadores han identificado como mínimo 12 genes relacionados con estos rasgos.

Según Carlos Alvarez, uno de los investigadores del estudio, su principal objetivo se encuentra en los genes específicos relacionados con la agresión a desconocidos, que se encuentran asociados a genes muy relevantes en dos regiones del genoma. Estos genes se relacionan con la vía neural del miedo y la agresión de la amígdala al eje hipotalámico-hiposifario-adrenal [7] y según los autores, estarían ligados al proceso de domesticación.


Mientras que las consecuencias más inmediatas son la medicina veterinaria conductual (como tests genéticos del riesgo de tipos específicos de miedo y agresión) a largo plazo las implicaciones para adultos y niños con trastornos de ansiedad son alentadoras.
Porque estas variantes de rasgo son comunes a través de razas de perros, el modelo canino proporciona un banco de pruebas ideal para nuevas terapias dirigidas a las vías bioquímicas. Una vez se determinen qué circuitos neuronales se ven afectados por la variación genética, esto revelará probablemente objetivos de fármacos que podrían inhibir o aumentar ciertos efectos emocionales de la conducta. Si estas terapias se demuestran efectivas en los perros, entonces pueden ser aplicados a los seres humanos con condiciones similares [7].

Toda esta información, que hemos intentado resumir en este modesto artículo, tan solo nos aporta una pequeñísima idea de todo el potencial que el análisis del genoma, a nivel predictivo en trastornos de conducta o enfermedades, para identificar pacientes que responderán correctamente a un tratamiento, y especialmente en veterinaria como parte importante para la mejora del bienestar canino, la salud pública y para entender el proceso de domesticación del perro. 


Bibliografía

  1.  Jones P, Chase K, Martin A, Davern P, Ostrander EA, Lark KG. Singlenucleotide-polymorphism-based association mapping of dog stereotypes. Genetics. 2008;179(2):1033–44.
  2. Parker, H. G., L. V. Kim,N.B.Sutter,S.Carlson,T.D.Lorentzen et al., 2004 Genetic structure of the purebred domestic dog. Science304:1160–1164.
  3.  Lindblad-Toh, K., C. M. Wade,T.S.Mikkelsen,E.K.Karlsson,D. B. Jaffeet al., 2005 Genome sequence, comparative analysis and haplotype structure of the domestic dog. Nature438:803–819.
  4. Vaysse A, Ratnakumar A, Derrien T, Axelsson E, Rosengren Pielberg G, Sigurdsson S, Fall T, Seppälä EH, Hansen MST, Lawley CT, et al. Identification of genomic regions associated with phenotypic variation between dog breeds using selection mapping. PLoS Genet. 2011;7(10), e1002316
  5. Zapata I, Serpell JA, Alvarez CE. Genetic mapping of canine fear and aggression. BMC Genomics 2016;17
  6. Alvarez CE. Naturally Occurring Cancers in Dogs: Insights for Translational Genetics and Medicine. ILAR J. 2014;55(1):16–45.
  7. https://www.sciencedaily.com/releases/2016/08/160810180908.htm