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No es fácil mapear y secuenciar el genoma de un animal. El genetista Hans Cheng y sus colegas en el Laboratorio de Enfermedades de Aves y Oncología usaron el ADN de la línea 'Red Jungle Fowl' en combinación con el ADN del pollo 'White Leghorn' para crear un mapa genético del pollo. Científicos del ARS también están mapeando el genoma del cerdo, la vaca, y la abeja de la miel. (D004-1)

Una campaña de ARS para secuenciar genomas

Aunque mapear el genoma humano recibió mucha atención por los medios de difusión, algunos científicos han estado haciendo el mismo tipo de investigaciones en otros animales—con menos fanfarria. Los investigadores a través del mundo están mapeando, o han mapeado, los genomas de varios animales de granja. Estas investigaciones no sólo ayudan a aquellos que estudian agricultura, sino también podrían ayudar a aumentar la comprensión de la salud humana.

El proceso de mapear y secuenciar el genoma de un animal no es fácil. Estas investigaciones duran muchos años—y son muy costosas. El Instituto Nacional de Investigación Genética, parte de los Institutos Nacionales de la Salud (NIH por sus siglas en inglés), ha contribuido millones de dolares a varios centros que están secuenciando otros genomas animales. Dos agencias del Departamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA por sus siglas en inglés)—el Servicio de Investigación Agrícola (ARS) y el Servicio Estatal Cooperativo de Investigación, Educación e Instrucción (CSREES por sus siglas en inglés)—y universidades y gobiernos extranjeros también han contribuido millones de dolares a esta campaña.

"A largo plaza, es razonable económicamente para todas estas organizaciones a financiar investigaciones genómicas", dice Ronnie D. Green, el líder de las investigaciones genómicas de animales de ARS.

Científicos de ARS están trabajando con colaboradores para mapear los genomas del pollo, la abeja, la vaca, y el cerdo. El objetivo es aprender más sobre estos animales y usar la información para el estudio de humanos.

La "Gallina Original" Dona su Cianotipo a la Ciencia

El campus de la Universidad Estatal de Michigan (MSU por sus siglas en inglés) es donde vive "Hembra Número 256", una gallina de la raza de pollo llamada 'Red Jungle Fowl' (Gallus gallus). Una muestra de la sangre de ella proveyó a los investigadores las mil millones unidades de ADN que ellos necesitaron para crear la primera secuencia preliminar—de alta calidad—del genoma de pollo. Parece que la gallina no sufrió daño, a pesar de su edad avanzada de siete años. Esta raza de pollo es el antepasado del pollo de hoy en día. La raza ha sobrevivido en libertad por aproximadamente 8.000 años, una duración que es rara para un antepasado silvestre de un animal domesticado.

Los pollitos encima de un mapa genético del pollo. El nuevo genoma de pollo mejorará la capacidad de localizar genes, especialmente aquellos que influyen rasgos complicados como resistencia a enfermedades. (K8764-2)

Los pollos fueron seleccionados para mapear porque ellos son los principales organismos modelos entre animales vertebrados que no son mamíferos. Ellos son unos de los modelos primarios para embriología y desarrollo porque ellos crecen dentro de un huevo en vez del útero de la madre. El pollo también es un modelo importante para las investigaciones de virus y cáncer.

La estructura para esta secuencia genética proviene de Jerry Dodgson, un biólogo molecular en MSU en East Lansing, y el genetista de ARS Hans H. Cheng y sus colegas en el Laboratorio de Enfermedades de Aves y Oncología en East Lansing.

Dodgson creó un mapa físico con el ADN de "Hembra Número 256". Cheng creó un mapa genético usando el ADN del progenie de "Macho Número 10394"—un miembro de la misma línea de 'Red Jungle Fowl'—y una hembra de la raza 'White Leghorn' de una línea endogámica experimental de pollo. El grupo científico usó los dos mapas como la base de secuenciar genes de pollo.

NIH patrocinó el proyecto, y la secuencia ahora está disponible en Internet en: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/projects/genome/guide/chicken/.

Un mapa genético es una vista amplia que muestra el orden de los genes. Un mapa físico muestra la distancia real entre los genes. Usar una analogía de conducir, el mapa genético es como un mapa de la autopista interestatal, y el mapa físico es como un mapa de la calles locales. El uso de marcadores genéticos comunes como puntos de referencia permite la integración de los dos tipos de mapas. Alinear el mapa genómico con la secuencia del genoma facilita las actividades científicas para determinar la función de cada gene y cómo lo influye en los rasgos.

Los genetistas Curt Van Tassell (izquierda) y Tad Sonstegard cargan información en un secuenciador de alta capacidad para secuenciar el ADN. Este secuenciador mejorará la cantidad de marcadores genéticos disponibles para selección en las poblaciones del ganado. (K10974-1)

En East Lansing, ARS mantiene más de 50 líneas endogámicas de pollo que son ideales para las investigaciones genéticas. La colección, que se inició en la década de los treinta, es una de las mejores en el mundo.

Durante los años, muchas universidades han abandonado sus colecciones vivas porque los costos de mantenerlas eran demasiado altos. "Es irónico que cuando llegó la mejor herramienta para analizar genéticamente estas líneas, muchas universidades no tuvieron el pollo para hacer el análisis", dice Cheng.

Él dice que el nuevo mapa genómico para guiar la búsqueda de los genes tiene una diferencia dramática como el día y la noche. En sus estudios, él avanzó rápidamente de tener 2.000 marcadores genéticos a tener 3 millones potencialmente.

"Con este mapa, es más fácil encontrar genes—especialmente aquellos que influyen rasgos complicados tales como resistencia a las enfermedades", él dice. "Esto elimina muchas de las conjeturas. Es como, de repente, tener completa la 'lista de componentes' de un pollo."

Antes del desarrollo del mapa, Cheng había identificado lo que el piensa son tres genes que confieren la resistencia a la enfermedad de Marek—el interés primario de Cheng. "Esta secuencia genoma proveerá ayuda decisiva en encontrar los demás genes de resistencia", dice Cheng. "Encontramos los genes usando un enfoque único de genómico funcional integrada que combina ADN, ARN y métodos de proteína. La secuencia genómica mejorará nuestra capacidad y exactitud en encontrar los genes de resistencia."

Las abejas obreras sacan los restos momificados de las larvas infectadas por el hongo Ascosphaera apis, el cual causa la enfermedad llamada ascosferiosis. Científicos del ARS están usando el genoma completado de la abeja para ayudar a comprender las respuestas de las abejas a esta enfermedad. (D007-1)

Él espera muchos otros beneficios, incluyendo vacunas mejoradas contra la enfermedad de Marek y otras enfermedades graves. "Aprenderemos también cómo criar un pollo más nutritivo, sabroso y saludable", Cheng dice. "Del punto de vista de ARS, mapear y secuenciar el genoma del pollo tiene sentido porque los productos de huevos y pollos son un sector con un valor de 25 mil millones de dólares. El pollo es la fuente de la carne más consumida en los Estados Unidos".

Investigaciones "dulces"

Científicos de ARS han estado a la vanguardia de investigaciones para criar una abeja de miel mejor, y para manejar el bienestar y la productividad de este insecto importante.

Humanos tienen un interés particular en la abeja de miel, Apis mellifera. Las abejas polinizan más de 90 cosechas florecientes que tienen un valor de 14 mil millones de dólares anualmente. Y no se olvide del producto delicioso de esta polinización: la miel.

Muchos peligros, desde los ácaros que chupan la sangre hasta los organismos que transmiten enfermedades, constantemente amenazan a socavar las actividades de las abejas. Por consiguiente, científicos siguen buscando maneras nuevas de proteger este insecto—y la agricultura. Ahora, un borrador preliminar del genoma de A. mellifera ha sido desarrollado, y los investigadores están usando este tesoro de información.

La investigadora asociada Laura Decanini y el técnico Andrew Ulsamer vigilan las colmenas de las abejas de la miel para detectar indicios de enfermedad. (D006-1)

"Como un organismo que tiene un orden social semejante a aquello de los humanos, la abeja de miel servirá como un sistema natural para más estudios agropecuarios, incluyendo el comportamiento social, cognición, y la función del sistema de inmunidad," dijo Joseph Jen después de la terminación del borrador preliminar del genoma en enero del 2004. Jen es el subsecretario del USDA para investigaciones, educación y economía.

El genoma de la abeja de miel es aproximadamente un décimo de la longitud del genoma humano. Sin embargo, no era fácil escribir el borrador preliminar. Un grupo de científicos dedicados—encabezado por el Colegio Baylor de Medicina en Houston—trabajó por un año para completar el genoma. Ellos usaron la última tecnología y varios millones de dolares en fondos.

Kevin Hackett, el jefe del programa nacional del ARS sobre las abejas y la polinización, dice que el genoma de la abeja de miel ha creado más oportunidades para investigación, incluyendo identificar marcadores genéticos para acelerar las actividades de criar abejas para mejorar la polinización de cosechas, la supervivencia de las abejas durante el invierno, y la habilidad de las abejas de defenderse contra las abejas africanizadas; estudios de las interacciones entre las abejas y los patógenos para mejorar el control de las plagas que causan enfermedades de las abejas; y estudios para mejorar la nutrición y la polinización de las abejas.

"Si se puede localizar los genes de oler de las abejas", dice Hackett, "se puede usar la información para mejorar su dieta y su habilidad de encontrar alimentos, resultando en polinización aumentada".

La bacteria Paenibacillus larvae causa la enfermedad llamada loque. El entomólogo Jay Evans y la técnica Tamieka Armstrong usan datos geonómicos para determinar los genes de la abeja de miel involucrados en resistencia a la bacteria. (D005-1)

Los entomólogos de ARS Jay Evans y Katherine Aronstein, quienes participaron en el proyecto del genoma de la abeja de miel, están usando información de este adelanto para identificar los genes del sistema de inmunidad que mantienen la salud de las abejas. De énfasis específico es la descripción de los genes involucrados en la resistencia potencial a la bacteria Paenibacillus larvae, la cual causa la enfermedad loque en las larvas de las abejas. La combinación de las plagas, los parásitos, otros patógenos, y brotes de loque en las colmenas de E.E.U.U. causan pérdidas de 5 millones de dolares anualmente a la polinización de cosechas.

En sus laboratorios respectivos en Beltsville, Maryland y Weslaco, Texas, Evans y Aronstein están estudiando unos cuantos genes y productos genéticos, o proteínas, que podrían impedir las enfermedades de las abejas de miel. Un hallazgo prometedor es abaecin, un péptido que las abejas de miel producen cuando son atacadas por los patógenos.

"Sabemos que las abejas producen abaecin como una respuesta a un brote de loque", Evans dice. "Pero no estamos seguro si una abeja que produce más de este péptido tiene resistencia al loque".

Con el uso del genoma de la abeja de miel, es posible descubrir más de estos genes y distinguirlos con la esperanza de usar la información para mejorar la crianza y el manejo de la abeja de miel, Evans dice.

Científicos de ARS y cooperadores a través del mundo están en las etapas finales de completar un mapa del Cromosoma Artificial Bacteriano de la vaca. El genoma bovino ya está siendo secuenciado con este mapa. El genoma debería ser útil en la selección de las vacas que resisten enfermedades or requieren menos alimentos. (D010-1)

En sus investigaciones, Aronstein ha enfocado en un grupo grande de receptores que tienen papeles en la primera línea de defensa de la abeja contra microorganismos invasores. Esta línea de defensa se llama la inmunidad innata.

"Estas investigaciones de secuenciar el genoma no producen resultados inmediatos para el sector de apicultura", dice Aronstein. "Pero investigaciones de largo plazo ofrecen gran potencial para mejorar la comprensión de la biología de la abeja y las prácticas de manejo".

Estudiando el genoma de la vaca

Steven M. Kappes, actualmente el administrador diputado de ARS para la producción y la protección de animales, fue uno de los líderes de las investigaciones del genoma bovino en una instalación del ARS en Clay Center, Nebraska. Kappes, quien fue el director del Centro Roman L. Hruska de Investigación de Animales de Carne, trabajó con una docena de científicos de ARS, y con otros alrededor del mundo, para desarrollar un mapa físico del Cromosoma Artificial Bacteriano (BAC por sus siglas en inglés) de la vaca.

Los biólogos moleculares Steve Kappes (izquierda) y John Keele usan secuencias de genes y secuencias genómicas para recopilar secuencias y determinar la estructura de genes bovinos y sitios de regulación. (K11698-1)

El químico Tim Smith y el vaquero Randy Scott anotan información sobre el crecimiento y la salud de una vaquilla para buscar una correlación entre sus marcadores de ADN y su rendimiento, en el Centro Roman L. Hruska de Investigación de Animales de Carne en Clay Center, Nebraska. (K11699-1)

Los científicos comenzaron este proyecto en la primavera del 2000 y están en las etapas finales de recopilar el mapa.

Aunque los científicos no han completado el mapa BAC, investigadores están usando parte del mapa para secuenciar el genoma de la vaca. "Ya estamos usando el mapa BAC para encontrar los marcadores de ADN", dice Kappes.

El mapa físico de BAC fue desarrollado por los investigadores en los Estados Unidos y Australia, Canadá, Brasil, Francia, Nueva Zelandia, y Reino Unido.

La capacidad de secuenciar el genoma podría llevar a nuevos conocimientos sobre la salud humana, particularmente los rasgos de reproducción y las funciones de inmunidad. Los conocimientos también ayudarán a los investigadores agrícolas. Basado en la evidencia de otras especies, Kappes cree que encontraremos los genes que influyen la eficacia alimenticia del ganado. Los productores de ganado usarán esta información para seleccionar las vacas que requieren menos alimentos. Esto no sólo reducirá el costo de la producción de carne, sino también podrá reducir problemas de olor y nutrientes excesivos.

También, Kappes dice que podría ser posible identificar las vacas que son resistentes a la enfermedad encefalopatía espongiforme bovina (BSE por sus siglas en inglés)—también llamada la enfermedad de la vaca loca—por la identificación de los cambios del ADN que son responsables por la resistencia a la enfermedad. Entonces científicos podrían criar las vacas con resistencia a la enfermedad.

Muchos científicos de ARS alrededor del país han trabajado en el genoma bovino. Aquellos que han tenido un papel activo incluyen el genetista Timothy P.L. Smith del laboratorio de Nebraska, y los genetistas Curt Van Tassell y Tad Sonstegard de Beltsville. Van Tassell descubrió 25 regiones en los genomas bovinos, llamados los loci de rasgos cuantitativos, que podrían ser importantes económicamente a los productores lecheros.

El genetista Gary Rohrer tiene en su mano un chip de computadora que se puede usar para evaluar más de 380 cerdos para variaciones genéticas en seis regiones diferentes del genoma. Esta información ayudará a determinar cuales de los genes afectan la reproducción de los cerdos. (D008-1)

No se olviden de los cerdos

Comparado con los otros genomas de animales que están siendo estudiado, no ha habido tanto progreso con el cerdo. El genetista de animales Gary A. Rohrer en Clay Center está dirigiendo las actividades de ARS en secuenciar el genoma porcino. "Esta actividad todavía está en su infancia y va evolucionando poco a poco", dice Rohrer.

Un consorcio internacional ha completado el mapa físico y ha comenzado a analizarlo. Investigadores pueden ver esta información en: www.sanger.ac.uk/Projects/S_scrofa/. Rohrer cree que puede tomar de tres a cinco años más para completar este trabajo de secuenciar.

Rohrer es parte del Consorcio para Secuenciar el Genoma Porcino, el cual incluye representantes de agencias gubernamentales y de universidades de alrededor del mundo. El grupo todavía está desarrollando una estrategia de coordinación del proyecto de secuenciar. Ellos también están trabajando para obtener fondos para el proyecto.—Por David Elstein, Don Comis, Jan Suszkiw, y Alfredo Flores de ARS.

La versión en inglés de "Una campaña de ARS para secuenciar genomas" ("An Agency Effort To Sequence Genomes") fue publicada en la revista 'Agricultural Research' de enero 2005.