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CALIDAD DE LA CARNE PORCINA:
ARQUITECTURA GENETICA DEL METABOLISMO LIPÍDICO
Raquel Quintanilla
Barcelona (Spain)
CÓMO DEFINIR LA CALIDAD DE CARNE
CALIDAD ORGANOLÉPTICA
• Apariencia: color, marmoleado
• Flavor (Sabor, Olor)
• Textura (Terneza, Jugosidad)
Cantidad y composición grasa
CALIDAD NUTRICIONAL
• Proteína
• Minerales/vitaminas
• Grasa
CALIDAD TECNOLÓGICA
• Retención de agua
• Estabilidad oxidativa
• Punto de fusión
Cantidad y composición grasa
CALIDAD HIGIÉNICA
• Cantidad microorganismos
• Residuos
• Contaminantes
PROPIEDADES ORGANOLÉPTICAS
Color
• Myoglobin
• Fat
Tenderness
• post mortem
• Storage of meat
• Collagen
• IMF
Juiciness
• Water content
• IMF
Flavor
• FA
• Sexual odor
Efecto de la Grasa Intramucular
Efecto positivo
Sin efecto
Efecto Negativo
Davis et al. (1975)
Gandemer et al. (1990)
Hodgson et al. (1991)
Fernández et al. (1999)
Brewer et al. (2001)
Moeller et al. (2010)
Hovenier et al. (1993)
Blanchard et al. (2000)
van Laack et al. (2001)
Lonergan et al. (2007)
Gandemer et al. (1990)
Hodgson et al. (1991)
Brewer et al. (2001)
Moeller et al. (2010)
Umbrales sugeridos para el % de Grasa Intramuscular
2% (desde 1% hasta más del 4%)
Wood, 1990; Fortin et al., 2005; Bejerholm and Barton-Gade, 1986; Meisinger, 2002; DeVol et al., 1988;
Fernandez et al., 1999b; Daszkiewicz et al., 2005; Gandemer et al., 1990.
3
350 Duroc barrows
RAW MEAT
Gluteus medius
•Intramuscular fat
•Fatty Acids
•Cholesterol content
Atributos sensoriales del jamón curado y
cantidad y composición de la GIM en fresco
gluteus medius
biceps femoris
umami
salado
6 expert panelists
•Appearence
•Taste-flavour
•Texture
2 muscles
•biceps femoris
•semimembranosus
metálico
0.5
Component 2 (18.34%)
ORGANOLEPTIC
CHARACTERISATION
DRY-CURED HAMS:
semimembranosus
1
picante
adhesividad
pastosidad
umami
curado
salado
adhesividad
fusión
Aceptabilidad
PUFA
maduro
picante CHOL
amargo
metálico
amargo
pastosidad
color
0
coquera
Aceptabilidad
maduro
IMF
veteado
coquera
desmenuz.
veteado
MUFA
SFA
dulce
dulce
color
fibrosidad
dureza
-0.5
Sección A
SM
fibrosidad dureza
BF
A
fusión
curado
desmenuz.
Sección B
B
SM
BF
-1
-1
-0.5
0
0.5
1
Component 1 (19.25%)
Pena, Gallardo, Guàrdia, Reixach, Arnau, Amills & Quintanilla. Journal of Animal Science 2013.
QUÉ TIPO DE CALIDAD SE REQUIERE ?
• Discrepancia entre los requerimientos de
los
distintos
actores
(mataderos,
procesadores, consumidores)
• Mayor contenido en GIM incrementa la
aceptabilidad si no va acompañada gran
incremento de grasa intermuscular.
• Creciente interés por productos más
saludables para el consumo humano.
EN QUÉ SENTIDO AFECTA A LOS DISTINTOS PARÁMETROS
DE CALIDAD?
CALIDAD
SENSORIAL
CALIDAD
NUTRICIONAL
CALIDAD
TECNOLÓGICA
Grasa Intramuscular GIM



AG saturados (SFA)
16:0; 18:0
AG poliinsaturados (PUFA)
18:2
AG monoinsaturados (MUFA)









18:1
GRASA INTRAMUSCULAR: factor con mayor incidencia en calidad
•
•
•
•
•
Calidad organoléptica
Apreciación sensorial
Depósito de Grasa
METABOLISMO
Intramuscular
LIPÍDICO
(contenido y composición)
Calidad Nutricional
Salud del consumidor
•
•
•
•
Apariencia
Flavor
Sabor
Terneza
Jugosidad
Calidad Tecnológica
Procesado
• Oxidación /
enranciamiento
• Firmeza /
Punto de fusión
• Retención agua
AG monoinsaturados (MUFA)
AG poliinsaturados (PUFA)
AG Saturados (SFA)
Contenido en colesterol
METABOLISMO LIPÍDICO EN PORCINO
Exogenous fat
source
Newborn
100 kg pig
1-2 % grasa
20-35 % grasa
Endogenous
synthesis
Adipogenesis
Fat
oxidation
Distribución de la grasa:
60-70 % subcutánea
5 % grasa perirenal
20-35 % intermuscular
1-2% intramuscular
METABOLISMO LIPÍDICO EN PORCINO
Depósito de Grasa
METABOLISMO
Intramuscular
LIPÍDICO
(contenido y composición)
PROCESOS Y RUTAS BIOLÓGICAS:
• Absorción de lípidos en el intestino
• Absorción y depósito de lípidos en tejidos
• Lipogénesis / Adipogénesis
• Lipólisis
FACTORES QUE INCIDEN EN EL DEPÓSITO DE GRASA
INTRAMUSCULAR
•
•
•
•
Sexo
Nutrición
Línea genética (raza)
Genética individual
VARIABILIDAD GENÉTICA ENTRE POBLACIONES
VARIABILIDAD GENÉTICA ENTRE POBLACIONES en relación a GIM
PIETRAIN
0,7 %
-
LARGE WHITE LANDRACE
DUROC
IBÉRICO
GIM
+
MUFA, SFA
-
PUFA
MEJORA DE LA CALIDAD A TRAVÉS DEL CRUZAMIENTO
+
9%
+
+
VARIABILIDAD GENÉTICA DENTRO DE UNA POBLACIÓN
Fenotipo =
Individual
Genética
+ Ambiente (Nutrición)
+ Interacción (G * E)
Epigenética
Nutrigenómica
VARIANZA GENÉTICA = POSIBILIDAD DE SELECCIÓN
SELECCIÓN
Generation
N+1
Genetic gain
Heredabilidad
h2  Varianzagenética aditiva
Varianzafenotípica
EXISTE UNA BASE GENÉTICA EN EL DEPÓSITO DE GIM ?
Heredabilidad de la grasa intramuscular: de 0.26 a 0.86; media 0.50 (Sellier, 1998)
Knapp et al. 1997
Larzul et al. 1997
Hermesch et al. 2000
Fernández et al. 2003
Suzuki et al. 2005
0.38 (LW), 0.67 (LD),
0.44 (LW)
0.35 (LW & LD)
0.25 (IB)
0.39 (Du)
0.32 (Pi)
Heritability of IMF content and FA profile in a Duroc population.
Casellas, Noguera, Reixach, Díaz, Amills & Quintanilla. Journal of Animal Science 2010.
HERITABILITIES
Intramuscular fat (%)
Cholesterol content
Oleic FA (%)
Palmitic FA (%)
Stearic FA (%)
Omega 6 FA (%)
Omega 3 FA (%)
Longissimus
dorsi
0.65 ****
0.20 *
0.15 *
0.30 **
0.33 ***
0.14 n.s.
0.14 n.s.
Gluteus
medius
0.58 ****
0.22 *
0.21 *
0.30 **
0.53 ***
0.14 *
0.16 *
Correlación genética con engrasamiento (BFT): de 0.25 a 0.40
SELECCIÓN PARA GRASA INTRAMUSCULAR
SI
 tiene heredabilidades moderadas – altas
PERO  Obtención de fenotipos (caro y costoso)
 Engrasamiento de la canal y aumento de grasa
intermuscular
 EBV sobre registros de parientes – baja precisión
Gene-Marker Assisted Selection (GAS-MAS)
Genomic Selection (GS)
ARQUITECTURA GENÉTICA DEL METABOLISMO
LIPÍDICO Y LA CALIDAD DE CARNE
Línea de investigación del IRTA desde 1996
• Identificar genes y polimorfismos asociados
IBMAP projects
1996-2011
IRTA-INIA-UAB
LIPGEN projects
2003-present
IRTA-CRAG
IBERCAL project
2013-present
IRTA - UEX
Gene / Marker Assisted Selection
• Rutas genéticas y mecanismos reguladores
Mecanismos genéticos implicados
• Desarrollar nuevas estrategias de selección
Selección genómica
CARACTERES RELACIONADOS CON EL METABOLISMO LIPÍDICO
Particular interés en aquellos catacteres relacionados con la deposición de grasa en músculo
y con la calidad nutricional y sensorial de la carne fresca y de los productos curados
FENOMA
Fase de engorde
- Peso, crecimiento
- Engrasamiento
- Ingesta individual
- Lípidos en Sangre
(Col, HDL, LDL, TG)
Sacrificio
- Peso canal y jamones
- Conformación y
engrasamiento
- Medidas físico-químicas
de la carne
Carne fresca (varios músculos) Jamones Curados
- Color
- Grasa intramuscular
- Colesterol en músculo
- Perfil ácidos grasos
Perfil sensorial:
- Atributos visuales
- Atributos de
sabor/aroma
- Atributos de textura
CRECIENTE DISPONIBILIDAD DE INFORMACIÓN
ENVIRONMENT
(NUTRITION)
Genome
Proteome
DNA
Microbiome
mRNA
PIG
GENETICS
Transcriptome
Metabolome
FENOMA
NECESIDAD DE APROXIMACIONES CADA VEZ MÁS HOLÍSTICAS Y
MULTIDISCIPLINARES
INVESTIGACIONES EN LOS ÚLTIMOS 20 AÑOS
1. Búsqueda de QTL y de genes candidatos posicionales.
MAS y GAS.
2. Búsqueda de genes con asociación funcional y/o
reguladores. Estudios de expresión diferencial y
mapeo de eQTL.
3. Utilización de los panels de alta densidad: GWAS y
Selección Genómica.
4. Redes génicas : hacia aproximaciones más holísticas.
5. Análisis de secuencias de ADN & ARN
19
Genetics of lipid metabolism
QTL - REGIONES GENÓMICAS ASOCIADAS A LOS FENOTIPOS
155 QTL para el contenido en
grasa intramuscular
10,497 pig QTLs from 416 publications
representing 649 different pig traits
QTL para GRASA INTRAMUSCULAR
QTL - REGIONES GENÓMICAS ASOCIADAS A LOS FENOTIPOS
QTL en población experimental DUROC
QTL en cruce divergente IB x LD
SSC Metabolismo lipídico y calidad
1
3
4
6
7
12
Varona et al. Genetical Research 2002
Ovilo et al. J. Anim. Sci. 2002
Perez-Enciso et al. Genetics. 2002
Clop et al. Mamm. Genome. 2003
Peréz-Enciso et al. J. Anim. Sci. 2005
Mercadé et al. Mamm. Genome 2005
Gallardo et al. Physiol. Genom. 2008
Quintanilla et al. J. Anim. Sci. 2011
Gallardo et al. Anim. Genet. 2011
Pena et al. J. Anim. Sci. 2013
BFT, IMF
LDL, Triglycerides, IMF,
Aged, Adhesiv., Hedonic
Triglycerides, FA profile,
Matured
IMF, muscle_Cholesterol,
Adhesiv., Pastiness, Hedonic
BFT, IMF, FA profile
Aged, Hedonic sc.
HDL, FA profile, colour
Adhesiv., Pastiness, Hedonic
Ovilo et al. J. Anim. Sci. 2002
12
10
8
6
4
2
13
Triglycerides, FA profile
IMF QTL
Q – Iberian allele
q – Landrace allele
0
SSC6
IBÉRICO (QQ)
Q allele  high IMF
Posibilidad de una introgresión mediante
cruzamiento recíproco del alelo Ibérico en
otras poblaciones.
GWAS - GENOME WIDE ASSOCIATION ANALYSES
utilizando paneles de alta
densidad (>60K SNP)
Distribution of additive genetic variance across genome
in a Duroc population
Hernández, Amills, Pena, Mercadé, Manunza & Quintanilla. J. Anim. Sci. 2013
ESTUDIO DE GENES CANDIDATOS POSICIONALES Y FUNCTIONALES
GEN CANDIDATO
DNA de una muestra de
cerdos
Amplificación &
Secuenciación
Identificación de
variantes segregando
Genotipado de toda la
población
ESTUDIOS DE
ASSOCIACIÓN
ALGUNOS GENES MAYORES PARA
CALIDAD DE CARNE:
RYR1 - Ryanodine Receptor
CAST – Calpastatin
PRKAG3 - Protein Kinase Adenosine
Monophosphate-Activated γ3-subunit
SCD - Estearoil-CoA Desaturasa
OTROS GENES CON RELACIÓN FUNCIONAL
Gene
CMYA5
Polymorphism
c.4899G>A and
c.5196T>C
A7189C
ENO3
g.404delT
FABP3
HaeIII, HinfI, MspI
RFLP
MspI RFLP
HaeIII RFLP
HinfI RFLP
HinfI RFLP
ACACA
HaeIII, HinfI, MspI
RFLP
Breed1
DU
Association2
HPD > 0.90
Reference
Gallardo et al. (2009)
ME, DU, LW,
LD, TO, QI
YK, LD, YK x
LD, YK × ME
DU
*
Xu et al. (2011)
**
Wu et al. (2008)
*
Gerbens et al. (1999)
PI, LW, LD
IB × LD
LW, LD
LD/DU ×
LD/YK
Diverse Chinese
breeds
NS
NS
NS
*
Nechtelberger et al. (2001)
Óvilo et al. (2002)
Urban et al. (2002)
Árnyasi et al. (2006)
*
Pang et al. (2006)
HinfI RFLP
HinfI RFLP
c.594C>G, c.1119261A>G
g.276T>G
BE
DU
BE x YK
*
**
*
Lee et al. (2010)
Schwab et al. (2009)
Fan et al. (2009)
Commercial pigs
*
Fontanesi et al. (2010)
c.3120G>A
DU
***
Cánovas et al. (2009)
IB × LD
IB × LD
NS
NS
Óvilo et al. (2002)
Óvilo et al. (2005)
LPIN1
HpaII RFLP
c.221C>T,
c.1160A>C,
c.2002C>T
T232A
c.2002C>T
C93T
NS
***
**
Mackowski et al. (2005)
Muñoz et al. (2011)
He et al. (2009)
MC4R
c.1426A>G
MYOD1
DdeI RFLP
DdeI RFLP
LD
IB × DU
LW, TO and
crossbreds
IB × DU
DU
LW, LD
LW × ME
NS
NS
***
NS
Muñoz et al. (2011)
Schwab et al. (2009)
Verner et al. (2006)
Liu et al. (2008)
FTO
HDLBP
LEPR
OTROS GENES CON RELACIÓN FUNCIONAL
ACACA  Fatty acids profile
Gallardo et al. 2009. Anim. Genet.
HDLBP  Intramuscular fat
Cánovas et al. 2009. Livest. Sci.
HMGCR  Cholesterol & Fatty acids
Cánovas et al. 2010. Animal.
FATP1, FATP2, FATP3  Fatty acids
profile.
Melo et al. Livest. Sci. 2012
SCD  Fatty acids profile.
Cánovas et al. 2010; Aznárez et al. 2012.
Esquema de la lipogénesis (Chen et al. 2007b)
Mutación en gen SCD que
aumenta el contenido en
MUFA y disminuye el
contenido en SFA.
ANÁLISIS DEL TRANSCRIPTOMA (ASOCIACIONES FUNCIONALES)
Expresión diferencial en músculo entre individuos
con fenotipos divergentes para deposición de grasa
3
PUFA
LDL
1
TG
CHOL
HDL
LW HFTBFT
High group
0
Low group
IMF
LEAN
Whole population
-1
SFA
MUFA
-2
Genes implicados en metabolismo lipídico,
diferenciación celular y balance energético.
-3
-3
-2
-1
0
1
2
3
LOW group
6
Microarray ratio
qPCR ratio
Principal Component 1
HIGH group
Cánovas, Quintanilla, Amills, Pena. BMC Genomics 2010
Fold-change ratio
Principal Component 2
2
5
4
3
2
1
0
REGULACIÓN DEL TRANSCRIPTOMA (eQTL)
eQTL scan en el músculo gluteus medius skeletal muscle
Cánovas, Pena, Gallardo, Ramírez, Amills & Quintanilla. PLOS ONE 2011
• 613 eQTL
(478 with mapped probes; 59 cis-eQTL)
• 11 trans-regulatory hotspots on chromosomes 1, 2, 3, 5, 6, 7, 12
• e-QTL co-localized with our QTL
TRANSCRIPTOMICS
REDES GÉNICAS
17 modulos de genes co-expressed genes
REDES ASOCIADAS AL METABOLISMO LIPÍDICO EN HÍGADO
Weighted Gene Co-expression Networks
CORRELACIÓN CON LOS FENOTIPOS
REDES GÉNICAS
REDES ASOCIADAS AL METABOLISMO LIPÍDICO EN HÍGADO
Green-Yelow MODULE (90 genes)
Gene Network
visualization
(Two
modules)PATHWAYS
ENRICHED
BIOLOGICAL
8.00
EBP
CYP51A1
SQLE
SC5DL
FDFT1
HMGCR
NSDHL
HMGCS1
FDPS
IDI1
7.00
6.00
4.00
3.00
PPARD
CYP7A1
SCD
FADS2
ACSL3
2.00
SCD
FADS2
ACOT4
LCLAT1
PPAP2A
GPAM
1.00
LCLAT1
PPAP2A
GPAM
Glycerophospholipid
metabolism
Glycerolipid metabolism
Biosynthesis of unsaturated
fatty acids
PPAR signaling pathway
Terpenoid backbone
biosynthesis
0.00
Steroid biosynthesis
participadas por los genes
del módulo más asociado
con el metabolismo lipídico
5.00
-log(pvalue)
RUTAS BIOLÓGICAS
•157 genes
• 385 interactions
LM related genes
Tan
Green-Yellow
TRANSCRIPTOMICS
REDES
GÉNICAS
REDES ASOCIADAS AL METABOLISMO LIPÍDICO EN HÍGADO
Weighted Gene Co-expression Networks
• 104 genes
• 139 interacciones
 12 HUBS (highly connected genes): ESR1, HMGCS1, LIPIN2, LIPIN1,
GPAM, PPARD, EBP, LDLR, HMGCR, IDI1, SCD, and GOT1
 3 CONNECTORS: FST, ETS2, and GLUL
REDES GÉNICAS
Integración de redes génicas
• Redes de co-expresión y epistáticas
• Redes génicas en distintos tejidos
• Genes clave regulando la topología de las redes
ARQUITECTURA GENÉTICA DEL METABOLISMO
LIPÍDICO Y LA CALIDAD DE CARNE
Línea de investigación del IRTA desde 1996
• Identificar genes y polimorfismos asociados
IBMAP projects
1996-2011
IRTA-INIA-UAB
LIPGEN projects
2003-present
IRTA-CRAG
IBERCAL project
2013-present
IRTA - UEX
Gene / Marker Assisted Selection
• Rutas genéticas y mecanismos reguladores
Mecanismos genéticos implicados
• Desarrollar nuevas estrategias de selección
Selección genómica
Valor de la información genómica para la evaluación genética y la
selección (MAS, GAS, GS)
Caracteres difíciles de medir
Resistencia a enfermedades
Caracteres con baja heredabilidad
Reproductivos
Caracteres expresados en un solo sexo
Prolificidad
Medibles en la madurez del individuo
Longevidad, reproductivos
Medibles después del sacrificio
Calidad de carne
SELECCIÓN GENÓMICA
SNP (Single Nucleotide Polymorphisms)
PorcineSNP60 BeadChip
60K SNP
Predicción valor genético - Métodos
•
•
•
•
•
•
BLUP genómico
Bayes A
Bayes B
Bayes C
Bayesian Lasso
Métodos No Paramétricos
SELECCIÓN GENÓMICA
Ventajas esperadas
• Incremento en la precisión
• Evitar (reducir) las mediciones de
GIM
• Reducción del intervalo
generacional
SELECCIÓN GENÓMICA
Cuestiones en estudio
 Modelos y métodos. Población de referencia.
 Incremento de la precisión en distintos escenarios.
 Integración de la información de animales
cruzados en la selección de animales puros.
 Diseño de paneles reducidos
Genomic selection of purebreeds for crossbred performance. Genetic Selection Evolution 2009
Modifying growth curve parameters by multitrait genomic selection. Journal of Animal Science 2011
DATOS DE SECUENCIA - Next Generation Sequencing
Experimento RNA-Seq
(2x75bp, >50M reads)
Secuenciación genómica
(x 25-30 )
RNA
Centro Nacional
Análisis Genómico
DNA
Illumina HiSeq 2000
TRANSCRIPTOMA
GENOMA
• Identificación de variantes
• Identificación de variantes
(exónicas y variantes transcripcionales)
o Identificación de variación no-sinónima
o Variantes en regiones reguladoras
• Cuantificación de la expresión
• Asociación con los fenotipos y expresión
o Conjunto reducido de SNP candidatos
(chip reducido)
• Asociación con fenotipos y expresión
ESTUDIOS EN CURSO Y FUTUROS
hacia aproximaciones más holísticas y multidisciplinares
• Nutrigenómica
• Integración de redes génicas
• Redes de co-expresión y epistáticas
• Redes génicas en distintos tejidos
• Genes clave regulando la topología de las redes
• Analisis de la secuencia de DNA y RNA
• New transcriptomic & genomic variants
• Información del Metaboloma y del Microbioma
RETO: Análisis integral de toda la información
Colaboradores
ANIMAL BREEDING &
GENETICS
NUTRITION &
WELFARE
Joan Tibau
José L. Noguera
Noelia Ibáñez
Juan P. Sánchez
Miriam Piles
Quim Soler
Mateu Tulsà
J. Brufau
Torrallardona
E. Esteve
R. Lizardo
E. Fàbrega
A. Dalmau
A. Velarde
PRODUCT QUALITY
M.Angels Oliver
Marina Gispert
FOOD TECHNOLOGY
Dolors Guàrdia
Jacint Arnau
FUNCTIONALITY &
NUTRITION
Isabel Díaz
GIRO
F. Prenafeta
M. Viñas
A. Bonmatí
Armand Sánchez
Marcel Amills
Miguel Pérez-Enciso
Josep M. Folch
Quim Casellas
Angela Cánovas
David Gallardo
Luis Varona
Luis Silió
M. Carmen Rodríguez
Cristina Óvilo
Ana Fernández
Estefania Alvés
Josep Reixach
Romi Pena
Joan Estany
Emilio Magallón
MUCHAS GRACIAS