Estudios de asociación de genoma completo
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Estudios de asociación de genoma completo . Los estudios de asociación de genoma completo (En Inglés: Genome-wide association study (GWAS) o WGAS (Whole genome association study) son análisis comparativos del genoma entero de un grupo de individuos con una característica común, frente al de la población general con el objetivo de identificar su asociación a un rasgo observable. Normalmente, el grupo de estudio está formado por individuos que sufren una enfermedad o poseen una característica que se considera heredable, es decir, codificada en su genoma.
Sumario
Generalidades
Los estudios de asociación de genoma completo implican el estudio de una gran cantidad de individuos, de modo que se puedan comparar datos genéticos entre ellos. De este modo, al comparar los datos genéticos obtenidos de las secuenciaciones de los genomas de diferentes individuos, es posible identificar genes ligados a enfermedades o caracteres. Las comparaciones se realizan habitualmente fijándose únicamente en los SNPs, o [polimorfismos de nucleótido simple[] (en inglés: single-nucleotide polymorphisms), considerados la mayor fuente de variación genética en una población, y rasgos como las principales enfermedades. Estos SNPs son marcas abundantes y uniformes a lo largo del genoma de un individuo y, sorprendentemente, suelen ubicarse en regiones que no codifican productos proteicos.
Por ejemplo, es posible detectar la aparición de uno o varios SNPs (variación de un sólo par de bases) o una deleción, repetición, etc. en una secuencia del genoma siempre que aparece el mismo fenotipo, pudiendo así concluir que este cambio a nivel genético se corresponde con un rasgo o característica específica. Por ello, es imprescindible tener una población de estudio genéticamente diversa y en el caso de las plantas se ha demostrado la necesidad de tener un amplio conocimiento de la variabilidad de la colección de trabajo a usar, para lo cual resultan ideales los bancos de germoplasma.
Existen múltiples ejemplos de gran utilidad tanto en estudios con humanos o animales, así como otros aplicables al mejoramiento genético de las plantas.
En Cuba se han dado pasos en la identificación y aplicación de la SAM en varios cultivos entre ellos el tomate y la yuca.
Estudios de asociación en humanos
En humanos, esta técnica ha permitido descubrir que ciertos genes están asociados a enfermedades como la degeneración muscular asociada a la edad y la diabetes. En el caso de la especie humana, se estudian miles de individuos para hallar polimorfismos de nucleótido simple o SNPs. Alrededor de 600 estudios de asociación del genoma completo llevados a cabo en humanos han examinado 150 rasgos y enfermedades, y han encontrado unos 800 SNPs asociados a ellas.
Gracias al desarrollo de chips de SNPs, superficies sólidas en las que se imprimen fragmentos de ADN que representan cada una de estas variaciones, los investigadores pueden escanear el ADN extraído de una muestra obtenida con un bastoncillo de la cara interna de la mejilla, a lo CSI, para dibujar un mapa genético de cada individuo. La comparación de un elevado número de individuos del grupo de estudio frente al grupo control, permite establecer si existen SNPs que se asocien con la característica de estudio.
Una aplicación clara de este tipo de estudios es la asociación de un síntoma patológico o patología con un determinado locus. Un ejemplo de ellos son los estudios de asociación de la alergia a determinados alérgenos con la susceptibilidad a loci. Otro ejemplo es el Proyecto UK10K (10.000 genomas de Reino Unido), en el que se combinan estudios WGS (Secuenciación del Genoma Completo) y GWAS para intentar identificar variantes genéticas raras o poco frecuentes relacionadas con problemas como la obesidad, el autismo, la esquizofenia o algunas enfermedades raras.
Los GWAS en humanos tienen diversos problemas y limitaciones que pueden subsanarse mediante un control de calidad y un diseño adecuado del estudio. Entre los problemas más comunes se encuentran la selección dificultosa de los pacientes con respecto al fenotipo de la enfermedad que se quiere estudiar, que la muestra tenga un tamaño insuficiente ya que se requiere el análisis de miles de casos y controles; y el control de la estratificación de la población.
La SAM puede ser más eficiente, eficaz y fiable que la selección fenotípica. Además, SAM puede reducir considerablemente el tiempo necesario para desarrollar variedades, de modo que en algunos casos resultará más eficaz en términos de coste que la selección basada en fenotipos. La SAM permite asimismo la mejora de rasgos complejos que no era posible con métodos convencionales anteriores. Aunque evidentemente no es un remedio milagroso para todos los problemas, es un enfoque muy prometedor para la mejora vegetal convencional.
Estudios de asociación en plantas
Los marcadores moleculares asociados genéticamente a una característica específica, son de especial interés en programas de mejoramiento debido a que permiten un rápido monitoreo de grandes números de plantas en una temprana edad del desarrollo, pues ello facilita identificar individuos que contengan el carácter.
La búsqueda de marcadores estrechamente ligados a genes de interés garantiza que la presencia del alelo deseado del gen pueda inferirse por la presencia de un alelo determinado del marcador. Este enfoque es particularmente útil en caracteres de baja heredabilidad, aquellos que su evaluación sea destructiva, difícil de llevar a cabo en condiciones de campo o donde se requiere de mucho tiempo o recursos, por ejemplo, los componentes de la calidad en yuca como el PMS, las proteínas o los carotenos.
Existen múltiples ejemplos donde los [análisis de asociación de genoma completo] o GWAS han sido útiles para la identificación de regiones del genoma de arroz (O. sativa L.) asociadas a 14 caracteres agronómicos de interés (Huang et al., 2010), así como, en varios estudios en maíz (Z. mays L.) (Kump et al., 2011), y en la cebada (H. vulgare L.).
Como en humanos, la calidad de la muestra utilizada, una amplia caracterización previa de la población o muestra en estudio, así como un adecuado diseño de la investigación condicen a un empleo exitoso de la técnica y a evitar problemas o limitaciones en su alcance.
Estudios de asociación de genoma completo de plantas en Cuba: la yuca
Los estudios de asociación tienen como base la búsqueda para establecer la relación estadística entre variables genéticas poblacionales y un fenotipo determinado. El cultivo de la yuca por su ciclo vegetativo anual, junto a otras características propias de la especie, incide en que la obtención de un nuevo cultivar demore entre 10-12 años, incluso más, en dependencia del carácter que se desee mejorar. Por ello el desarrollo de técnicas modernas, como las de mejora asistida, basadas en marcadores moleculares, representan un aporte significativo para reducir ese largo período de mejora convencional. El primer estudio de asociación en Cuba en el cultivo de la yuca, se basó en el polimorfismo de nucléotido simple (SNP) y estrategias de desequilibrio de ligamiento (DL) y de mapeo de asociación con la técnica de polimorfismo conformacional de cadena simple (SSCP, del inglés, Single Strand Conformational Polymorphism), y tuvo como objetivo identificar marcadores moleculares asociados a porcentaje de materia seca en las raíces (PMS) (Beovides, 2014).
El estudio permitió la identificación de seis marcadores tipo SNPs asociados a los más bajos PMS. El resultado es el primero realizado utilizando una colección natural del cultivo y abre la posibilidad de continuar las investigaciones en la búsqueda de marcadores moleculares asociados a alto PMS en el cultivo.
Fuentes
- Beovides, Y. (2014). Caracterización de la variabilidad genética e identificación de marcadores moleculares asociados al porcentaje de materia seca en accesiones cubanas de yuca (Manihot esculenta Crantz). Tesis de Doctorado en Ciencias Biológicas, Facultad de Biología, Universidad de La Habana.
- Huang X; T Sang; Q Zhao; X Wei; Q Feng; Y Zhao; C Li; C Zhu; T Lu; Z Zhang; M Li; D Fan; Y Guo; A Wang; L Wang; L Deng; W Li; Y Lu; Q Weng; K Liu; T Huang; T Zhou; Y Jing; W Li; L Zhang; ES Buckler; Q Qian; Q Zhang; J Li y B Han (2010) Genome-wide association studies of 14 agronomic traits in rice landraces. Nat Gen 42(11): 961-967.
- Kump KL; PJ Bradbury; RJ Wisser; ES Buckler; AR Belcher; MA Oropeza-Rosas; JC Zwonitzer; S Kresovich; MD McMullen; D Ware; PJ Balint-Kurti JB Holland (2011) Genome-wide association study of quantitative resistance to southern leaf blight in the maize nested association mapping population. Nat Gen 43(2): 163–168.
- Manolio TA (2010). Genome wide association studies and assessment of the risk of disease. N Engl J Med 363: 166.
- Manolio TA; Pearson TA (2008). How to interpret a genome-wide association study. JAMA 299 (11): 1335–1344.
- Setter TL; J Yan; M Warburton; JM Ribaut; Y Xu; M Sawkins; ES Buckler; Z Zhang y MA Gore (2011) Genetic association mapping identifies single nucleotide polymorphisms in genes that affect abscisic acid levels in maize floral tissues during drought. J Exp Bot 62 (2): 701-716.
- Tian F; PJ Bradbury; PJ Brown; Q Sun; S Flint-Garcia; TR Rocheford; MD McMullen; JB Holland y EB Buckler (2011) Genome-wide association study of maize identifies genes affecting leaf architecture. Nat Gen 43: 159-162.
- Wolpin, B. and C. Rizzato (2014) Genome-wide association study identifies multiple susceptibility loci for pancreatic cancer. Nat gen 46: 994–1000.
