Genetica degli animali - appunti

Genetica degli animali da reddito - miglioramento genetico

Modulo e testi

Professor Alessandro Bagnato
Modulo: Esame scritto con domande aperte ed esercizi + consegna delle esercitazioni (passare entrambi i moduli per superare l’esame).
Testi: Genetica applicata alle produzioni animali, G. Pagnacco edizione città studi (ISBN: 8825171501).

Parentela e consanguineità

Nella prima slide è stato presentato l’albero genealogico di un bovino con calcolo della consanguineità del 5%, ciò significa che i due genitori sono parenti tra loro perché hanno un antenato comune (incrocio di ritorno per cui un discendente maschio si accoppia con una femmina parente). Le figlie dello stesso toro avranno delle caratteristiche riproduttive simili piuttosto che femmine di tori diversi. Prima di incrociare due animali tra loro bisogna scegliere animali redditizi che non siano tutti imparentati tra loro, in modo da mantenere la diversità e la variabilità genetica. Fortunatamente gli allevatori hanno un dato che tiene conto delle relazioni di parentela per calcolare il valore di produttività.

Il termine “somiglianza” per noi significa “parentela”, “parentela” significa che due animali hanno della genetica in comune: la parentela esprime la proporzione di geni in comune per discendenza mendeliana tra due animali. La proporzione di genetica in comune, o di DNA in comune, è un coefficiente esprimibile.

Tipi di parentela

• Parentela diretta: è la parentela tra un antenato e un discendente (es: padre, figlio, nonno, nipote).
• Parentela collaterale: descrive due soggetti che sono parenti perché hanno un antenato comune (fratelli che hanno in comune un genitore, cugini che hanno in comune il nonno).
• Grado di parentela: esprime la somiglianza genetica e tanto è maggiore tanto più stretta è la somiglianza tra i due individui (esempio: se due animali sono parenti al 50%, essi hanno un grado più stretto di parentela rispetto ad animali parenti al 25%).

Nel seguente schema possiamo notare che:

• A è ascendente di B e C
• C è discendente da A
• Tra A e B c’è una parentela diretta
• A, B, D, F presentano parentela diretta, mentre tra i due rami c’è parentela collaterale.

La relazione additiva è la frazione dei geni di un individuo che ci si aspetta di trovare identici nell’altro, cioè la probabilità che un gene del primo animale sia presente identico nel secondo (sempre del 50%). Nella meiosi avviene il crossing over sui cromosomi omologhi (coppia di cromosomi che discendono uno dalla madre e uno dal padre), ciò fa sì che alcuni alleli del cromosoma paterno finiscano su quello materno e si mescolino. In sintesi la relazione additiva è quindi la probabilità di trovare un gene nel figlio che sia identico nel padre o nella madre, questo perché solo uno dei cromosomi omologhi viene trasmesso dopo la ricombinazione (da padre a figlio non si trasmette tal quale uno dei cromosomi).

Consanguineità

Si parla invece di “consanguineità” (o inbreeding) quando, riferendosi a un solo individuo, si vuole indicare la proporzione di geni allo stato omozigote per discendenza mendeliana che ci si aspetta siano presenti nel suo genotipo. La consanguineità è quindi la probabilità che in un locus un individuo abbia due alleli identici per copia, ossia ereditati da un antenato comune (no formula).

Sempre nel grafico di sinistra: il fondatore A genera due figli B e C, i quali a loro volta hanno delle discendenze (C ha come discendente H e B ha come discendente F). Secondo il grafico di sinistra qui presentato il soggetto A trasmette l’allele azzurro ai suoi due figli (A e B), in quanto ha sia occhi scuri che chiari. Durante la meiosi viene trasmesso solo uno dei due alleli, che in questo caso è occhi chiari.

Definizione di locus

Cos’è un locus? Prima di descrivere il “locus” bisogna soffermarsi su due definizioni: outbreeding e inbreeding. Le popolazioni umane sono in outbreeding, ciò significa che l’accoppiamento avviene tra individui esterni e non tra parenti. Negli animali invece ciò non avviene e quindi si parla di “inbreeding”, ci si accoppia tra parenti e ciò avviene perché gli allevatori cercano di fissare una determinata caratteristica favorevole per la prole che quindi verrà trasmessa e verrà resa stabile nelle generazioni successive. Detto ciò definiamo “locus” la localizzazione dei geni sui cromosomi.

Tornando allo schema: la probabilità che F e G abbiano l’allele azzurro non è elevata perché ci sono delle popolazioni di mezzo, ma può avvenire come in questo caso.

• F è omozigote e ha ereditato un allele azzurro da B e H (inbreeding in questo caso).
• F e G hanno nel loro genoma l’allele azzurro che è una copia dell’allele dall’antenato A (ciò significa che è stato ereditato in coppia dall’A).

Secondo il grafico di destra invece abbiamo un incrocio di ritorno, che viene particolarmente utilizzato nei bovini, quando pochi tori funzionano in fecondazione artificiale (60 in Italia), si tratta di un incrocio in cui il maschio 7 si incrocia con la 6. Essi avranno dei loci in copia e il discendente 8 viene detto consanguineo, vi è la possibilità che un locus sia omozigote perché gli alleli sono identici in copia per discendenza mendeliana.

Il problema di animali in consanguineità è che se un animale nasce con una mutazione, essa verrà trasmessa alla prole. Non sempre è facile capire se l’animale presenta mutazioni, in quanto esso può avere genotipo eterozigote e quindi presentare la mutazione senza esserne malato. La prole che nascerà dall’animale malato eredita per il 50% la mutazione.

Esempio di consanguineità

Esempio:
A AA AA AAa Aa Aa
Il toro 7 che contiene l’allele mutato rosso si accoppia con una discendente del toro 1, che è il fondatore dell’allele mutato. L’individuo 8, generato con l’incrocio di ritorno, sarà omozigote per l’allele mutato. La consanguineità esprime la probabilità che X sia omozigote azzurro e che 8 sia omozigote per l’allele mutato rosso. Se due individui consanguinei si accoppiano tra di loro e non hanno nessun ascendente in comune (X e 8 senza ascendente in comune perché A e 1 non sono legati), la consanguineità diventa 0. Y riceve due alleli diversi tra loro e non è più consanguineo. Questo tipo di accoppiamento viene particolarmente utilizzato per produrre gli ibridi.

Esempi di mutazioni

• CVM: Conformazione alle vertebre del vitello che nasceva malato con la malformazione del genere SLC35A3.
• BLAD: Mutazione del CD18 gene, porta alla malformazione dell’arcata dentaria. Patologia recessiva degli autosomi.

Ereditarietà poligenica

La genetica quantitativa è quindi lo studio dei caratteri quantitativi, cioè quei caratteri di una popolazione che possono essere indagati mediante parametri numerici, tali caratteri vengono anche detti poligenici, cioè trasmessi da più geni, pertanto non seguono le regole della trasmissione mendeliana e presentano una distribuzione fenotipica continua (ad esempio il peso, il grado di pigmentazione cutanea, i livelli di attività metabolica, presenza di ipertensione, di obesità, di malattie cardiovascolari, ecc...).

Come esempio tipico è stato portato il controllo del colore rosso delle cariossidi di grano, determinato dall’azione additiva dei due geni R1 e R2. Supponiamo di avere due varietà di cariossidi di grano: il colore rosso si presenta quando abbiamo R1R1R2R2, mentre il colore bianco quando abbiamo r1r1r2r2. La varietà rossa è omozigote dominante sia al locus 1 che al locus 2 (R1R2), mentre la varietà bianca è omozigote recessiva sempre in entrambi i loci (r1r2).

Andando ad incrociare queste parentele otteniamo una popolazione F1 del tipo: R1r1R2r2, quindi avremo un individuo. Per quanto riguarda il fenotipo invece, esso è descritto come l’espressione che noi vediamo (anche detta “espressione visiva”) e in questo caso è il colore intermedio tra il rosso scuro della parentela rossa e il bianco della parentela bianca. Provando ad incrociare la varietà F1 per ottenere una nuova generazione F2 otteniamo:

Tabella di incrocio:

• R1R2 → R1R1R2R2 R1R1R2r2 R1r1R2r2 R1r1R2r2
• R1r2 → R1R1r2R2 R1R1r2r2 R1r1r2R2 R1r1r2r2
• r1R2 → R1r1R2R2 R1r1R2r2 R1R1r1r1 R2r2
• r1r2 → R1r1R2r2 R1r1r2r2 R2r2r1r1 r1r1r2r2

• Prima casella: essa riceve tutti gli alleli R, quindi il genotipo sarà omozigote, con 4 alleli R e una intensità di colore rosso scuro.
• Seconda casella: eredita dal locus 1 RR e Rr dal locus 2, quindi il genotipo sarà omozigote dominante al locus 1 ed eterozigote al locus 2. In tutto questi soggetti contengono 3 alleli R e 1 allele r, il rosso è un po’ meno intenso del rosso scuro.
• Terza casella: uguale alla seconda
• Quarta casella: eredita 2 alleli R e 2 alleli r. La tonalità di rosso è molto chiara, tendente al rosa.

Analizzando la tabella nel complesso avremo:

• 6 caselle rosso medio
• 4 caselle rosse intense
• 1 casella rossa di massima intensità
• 1 casella bianca
• 4 caselle rosse tendenti al bianco

Sovrapponendo la distribuzione normale al mio grafico di colonne verticale, essa descriverà come sono disperse le misure quantitative intorno ad una media. Si pongono come esempi due allevamenti: essi hanno la media uguale ma il primo ha delle produzioni meno variabili rispetto al secondo. Possiamo intuire le variazioni grazie alla deviazione standard, un parametro di dispersione che ci dice quanto le nostre misure sono disperse rispetto alla media (sia a destra sia a sinistra). Nel primo allevamento la deviazione standard è di 816,5 e nel secondo 1000.

Oltre all’esempio degli allevamenti si poteva anche analizzare l’altezza degli uomini, infatti così come esistono vacche che producono più latte, avremo anche uomini di altezze differenti. L’altezza dipende dai nostri geni (ovvero dalla genetica quantitativa che studia le cause genetiche di variabilità dei fenotipi, basate sulla curva di distribuzione normale) e dalla quotidianità che l’uomo vive, (cosa mangio, che sport faccio, in che ambiente cresco ecc...).

Nota bene: L’epigenetica studia come l’ambiente attiva o disattiva l’espressione di alcuni geni, quindi è diversa dalla genetica.

Miglioramento genetico

Obiettivo

L’obiettivo è migliorare la geneticità della popolazione. Il miglioramento genetico può essere attuato attraverso:

• Gestione: riguarda ciò che noi forniamo agli animali in un ambiente universale.
• Genetica: ovvero ciò che l’animale riceve da suo padre o da sua madre. I geni si ricombinano in meiosi e nella generazione di un nuovo individuo, quindi la variabilità che noi osserviamo, oltre ad essere generata dalla gestione, dipende anche da cosa viene trasferito generazione per generazione.
• Casualità.

Il miglioramento genetico si occupa di individuare quegli animali che portano dei geni favorevoli per una determinata caratteristica che voglio venga trasferita alla prole. Con il miglioramento genetico quindi si producono animali miglioratori e si disperdono i loro geni nella popolazione (naturalmente per fare questo devo far accoppiare il portatore dei geni favorevoli). Si crea quindi una nuova generazione effettuando un ciclo riproduttivo.

Un esempio già attuato di miglioramento genetico è la nascita di bovini senza corna (acorni), avvenuta grazie all’identificazione della mutazione sul DNA che non fa nascere le corna. Si può pensare di modificare questo gene ad esempio in una frisona e far nascere tutti i figli senza corna.

Il modello simbolico

Il modello simbolico è un modello che usiamo per descrivere le componenti di variabilità sul fenotipo. È caratterizzato da:

• Mu: il fattore comune a tutti gli individui (se pensiamo all’altezza per noi è comune ad esempio la dieta mediterranea).
• Una componente genetica che prevede tre effetti:
  • Additivi: ogni allele aggiunge o toglie una quantità al fenotipo che stiamo misurando, perché nel momento della riproduzione viene trasmesso uno solo dei due alleli e qualunque fosse l’effetto di dominanza si rompe.
  • Dominanza: quando un’allele domina sull’altro e ne nasconde l’effetto (esempio: occhi chiari/scuri).
  • Interazione: abbiamo più geni che influenzano un carattere quantitativo (esempio: epistasi).
• Una componente ambientale divisa in:
  • Effetti ambientali temporanei: dettati dalla casualità (esempio: ondata di calore) che non possiamo controllare.
  • Effetti permanenti: ad esempio se una bovina si prende una mastite (effetto ambientale e non genetico perché è determinato dalla sporcizia). La mastite si cura con antibiotico e il latte prodotto da bovine affette deve essere buttato in quanto la vacca deve essere posta in sospensione. Naturalmente la produzione di latte della vacca dopo la cura antibiotica non sarà come prima, perché il tessuto mammario si è danneggiato e quindi perde la sua funzionalità. Alcune mastiti possono anche far perdere anche la funzionalità di un quarto.

A noi interessa studiare gli effetti genetici additivi perché si trasmettono alla progenie, è di un allele e anche se avviene meiosi o ricombinazione, l’effetto dell’allele si trasmette e si somma all’effetto degli altri geni.

Ciascun animale produce un fenotipo diverso dall’altro (esempio: altezza, ogni individuo ha un’altezza diversa dall’altro). Se consideriamo la popolazione nel suo complesso si valuta in termini di variabilità; si inizia a guardare a “tutti gli animali” e si descrive la variabilità che esiste tra di essi.

Gli animali avranno una variabilità fenotipica, che è quella che noi osserviamo (come le produzioni di latte in un allevamento), ed essa può essere dovuta a differenze nella genetica (effetti additivi, effetti di dominanza, effetti di interazione, oppure effetti ambientali). Possiamo pensare di trovare un numero che ci dica quanto è diversa la nostra genetica e possiamo esprimerlo nella stessa scala di misura del carattere che stiamo osservando (la deviazione standard ad esempio la esprimeremmo in cm).

La variabilità fenotipica è la somma di tutte le altre variabilità, ovvero quella genetica e quella ambientale, che si chiamano “componenti della varianza” che contribuiscono alla variabilità totale.

Esiste un parametro essenziale che è l’ereditabilità, essa è calcolata come un rapporto tra due varianze, la varianza genetica (al numeratore indicata con σ² G) e la varianza fenotipica (al denominatore indicata con σ² P). Come abbiamo detto sopra, la variabilità fenotipica è data dalla somma tra la varianza genetica e la varianza ambientale, quindi il σ² G è più piccolo del σ² P, o al massimo uguale se la variabilità ambientale è zero.

H al quadrato avrà quindi:

• Limite massimo = 1, quando σ P e G sono uguali
• Limite minimo = zero se tutti gli animali fossero cloni di loro stessi

È importante che gli allevatori cambino l’ambiente se abbiamo qualcosa che influenza il fenotipo al 90% ad esempio. L’esempio sopra riportato mostra che esiste variabilità tra i fenotipi: guardando il grafico quindi ci chiediamo se la variabilità sia dovuta all’ambiente o alla genetica. Possiamo facilmente intuire dalla formula che l’1% è dovuta a differenze genetiche degli animali, mentre il 99% dalle differenze ambientali in cui vivono. È quindi un carattere difficile da selezionare.

Esempio: su 1000 bovine posso scegliere le migliori 10, che vivono in un ambiente molto favorevole.

In questo secondo esempio l’ereditabilità (h quadro) è dell’80% e il 20% è dovuta a differenze ambientali, mentre l’80% è dovuta a differenze genetiche.