seleção genômica: estado da arte e novas...

55
Seleção genômica: Estado da arte e novas ferramentas Flávio S. Schenkel Professor Auditório da Farsul – Porto Alegre/RS , 9 de Agosto, 2012 1º Workshop Seleção genômica para resistência ao carrapato bovino nas raças Hereford e Braford

Upload: nguyenminh

Post on 26-Nov-2018

212 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Seleção genômica: Estado da

arte e novas ferramentas

Flávio S. Schenkel Professor

Auditório da Farsul – Porto Alegre/RS , 9 de Agosto, 2012

1º Workshop – Seleção genômica para resistência ao

carrapato bovino nas raças Hereford e Braford

Pesquisa e Implementação de

seleção genômica no Canadá

Flávio S. Schenkel

Porto Alegre, 10 de Julho de 2009

Ferramentas Genômicas

3 Anos Atrás

- Nenhum projeto de seleção genômica em

andamento no Brazil

- Porém bastante interesse nesta área

1o projeto no Canada: 2004

5 anos para implementar seleção genômica

em gado leiteiro (Holandês)

Ferramentas Genômicas

3 Anos Atrás

- Vários projeto de seleção genômica em

andamento:

- Zebu leiteiro: Dr. Marcos Vinicius da Silva, EMBRAPA

- Búfalo: Dr. Humberto Tonhati, UNESP-Jaboticabal

- Nelore: Dr. Fernando Garcia, UNESP-Araçatuba

Dra. Lúcia Galvão, UNESP-Jaboticabal

- Hereford/Braford: Dr. Fernando Cardoso, EMBRAPA

Conexão DeltaG

Ferramentas Genômicas

3 Anos Depois

Genômica não é magia.

Há pouco valor em:

– Conhecer a sequência genômica;

– Ter painéis de marcadores de alta densidade;

Se estas informações não forem traduzidas em

ferramentas úteis e práticas.

Ferramentas Genômicas

Preâmbulo

As ferramentas genômicas incluem:

• Ferramentas básicas: SNP chips,

Microarranjos, etc.

• Ferramentas de aplicação básica:

Mapeamento de genes/QTL, imputação de

genótipos e haplótipos, etc.

• Ferramentas de aplicação prática: Testes

genéticos, avaliação genômica, verificação

e descoberta de paternidade, etc.

Ferramentas Genômicas

Preâmbulo

Esta apresentação focará principalmente

na pesquisa e ferramentas desenvolvidas

no CGIL, na Universidade de Guelph,

Canada.

Elas incluirão:

• Ferramentas de aplicação básica

• Ferramentas de aplicação prática

Ferramentas Genômicas

Preâmbulo

T

C

2

C

1

A

G

1

G

2

Conceitos:

Desequilíbrio de ligação (DL) entre um marcador e um gene

A

G

C

1

1

T

C

G

2

2

Crossover Alta recombinação

Baixa recombinação

Baixíssima recombinação

Ferramentas Genômicas

Preâmbulo

Fase de ligação (FL) entre um marcador e um gene

A

G

C

1

1

T

C

G

2

2

1 e G estão em fase de acoplamento

1 e C estão em fase de repulsão

Se não há recombinação, as fases

seriam as mesmas entre famílias

A

C

C

1

1

T

G

G

2

2

Família 1 Família 2

Ferramentas Genômicas

Preâmbulo

Fase de ligação entre um marcador e um gene

A

G

C

1

1

T

C

G

2

2

Note que os genótipos são os

mesmos nos dois casos:

- GC para o marcador

- 12 para o gene

A

C

C

1

1

T

G

G

2

2

Família 1 Família 2

Obs: Apenas o genótipo do

marcador será conhecido

através da genotipagem.

Ferramentas Genômicas

Preâmbulo

Evento Ano

• Sequência completa do genoma bovino 2004

• Painel de 10000 SNP 2006

- Pesquisa genômica básica; Primeiras predições genômicas 2006/07

• Painel de 50000 SNP 2007

- Primeiras avaliações genômicas oficiais (HO, JE) 2009

• Painel de 3000 SNP 2010

- Primeiras avaliações genômicas com genótipos imputados 2010

• Painel de 777k SNP e 6000 SNP 2011

• Primeiros sequenciamentos de ancestrais importantes 2010/11

• Imputação ao nível da sequência 2012

Ferramentas genômicas básicas e práticas através dos anos

Ferramentas Genômicas

Preâmbulo

Padrão de DL no genoma- Exemplo no Holandês

(Bohanova et al. 2010. BMC Genomics, 11:421)

Ferramentas Genômicas

Ferramentas de aplicação básicas

Distância (Mb)

Extensão do DL no genoma- Exemplo no Holandês

(Sargolzaei et al. 2008. JDS 91:2106-2117)

Ferramentas Genômicas

Ferramentas de aplicação básicas

Frequência e média do r2 para distâncias pequenas entre

pares de SNPs sintênicas

Distância (Mb) Pares (n) r2 ± EP Freq. r2>0.30 (%)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

Ayrshire-Holstein

Ayrshire-Guernsey

Holstein-Guernsey

r= 0.93 - 0.96

Avaliação multi-raças ? (Larmer, S. 2012. MSc. Thesis)

Distância (cM)

Corr

ela

ção

Consitência da FL - Exemplo entre 3 raças leiteiras

usando um painel de alta densidade (777 k)

Ferramentas Genômicas

Ferramentas de aplicação básicas

Software para avaliação do DL

C++ para plataformas

Windows ou Linux

(Sargolzaei et al. 2008. JDS 91:2106-2117)

Ferramentas Genômicas

Ferramentas de aplicação básicas

Simulator genômico – Um exemplo

(Brito et al. 2011. BMC Genetics, 12:80)

Ferramentas Genômicas

Ferramentas de aplicação básicas

Número de animais no grupo de treinamento

Acu

ráci

a

h2 40 k SNP

Simulador Genômico

(Sargolzaei and Schenkel. 2009.

Bioinformatics, 25: 680-681)

Ferramentas Genômicas

Ferramentas de aplicação básicas

C++ para plataformas

Windows ou Linux

Imputação de um painel de SNPs de baixa densidade

para um painel de alta densidade

- Grande impacto no número de fêmeas genotipadas

- Grande impacto na quantidade de informação genômica

disponível

Imputação

Exemplo: de 3 ou 6 k SNPs para 50k ou 777k SNPs

Ferramentas Genômicas

Ferramentas de aplicação básicas

Imputação baseada na informação da família:

Touro - AD Vaca - AD

Progênie- BD

Ferramentas Genômicas

Ferramentas de aplicação básicas

(Sargolzaei et al., JDS 2008)

Imputação baseada na informação da população:

Método baseado janelas sobrepostas.

Atribuição da fase de ligação e imputação são feitos

simultaneamente.

Haplótipos longos são procurados e atribuídos

primeiro para capturar parentesco próximo e, então,

haplótipos pequenos são procurados para capturar

parentescos distantes.

Método é deterministico e, portanto, muito rápido.

Ferramentas Genômicas

Ferramentas de aplicação básicas

Software para imputação genômica

(Sargolzaei et al. 2012. PAG Meeting)

Ferramentas Genômicas

Ferramentas de aplicação básicas

C++ para plataformas

Windows ou Linux

Família + População

Fimpute – Um estudo de validação

(Sargolzaei et al. 2012. PAG Meeting)

Ferramentas Genômicas

Ferramentas de aplicação básicas

99,2 99,2 99,1

98,1 97,9 97,7 97,6 97,1 97,1

92,2

93,8

92,9

90,0

95,0

100,0

HO JE BS

50-50 50-3 50-U U-U

Validação (animais jóvens): Genótipos 50k de animais nascidos

>2009 para HO e JE e >2008 para PS foram reduzidos para 3k e 6k.

Referência (animais velhos): Animais com genótipos 50k mais velhos

do que os animais de Validação.

PS

Validação

Referência

Fimpute – Um estudo de validação

(Sargolzaei et al. 2012. PAG Meeting)

Ferramentas Genômicas

Ferramentas de aplicação básicas

99,2 99,2 99,1

98,1 97,9 97,7 97,6 97,1 97,1

92,2

93,8

92,9

90,0

95,0

100,0

HO JE BS

50-50 50-3 50-U U-U

Imputação de 3k para 50k SNP

Genótipo do Pai-Mãe

Acu

ráci

a

PS

Fimpute – Um estudo de validação

(Sargolzaei et al. 2012. PAG Meeting)

Ferramentas Genômicas

Ferramentas de aplicação básicas

Imputação de 6k para 50k SNP

Genótipo do Pai-Mãe

Acu

ráci

a

PS

Fimpute – Um estudo de validação

(Sargolzaei et al. 2012. PAG Meeting)

Ferramentas Genômicas

Ferramentas de aplicação básicas

Imputação no Pardo Suiço

Software

Acu

ráci

a

Imputação em gado de corte

Ferramentas Genômicas

Acurácia da imputação em Angus

puros: 4732 ref. (497 AN), 100 imp.

Acurácia da imputação em cruzados:

4732 ref. , 146 imp.

Ferramentas de aplicação básicas

Marcadores em EL Marcadores em DL Marcadores diretos

Famílias

Marcadores esparsos

População

Marcadores densos

População

Esparso/Denso

Mais fáceis usar

M M M

Marcadores

genéticos

Difíceis de usar Fáceis de usar

Seleção genômica

Ferramentas Genômicas

Ferramentas de aplicação práticas

Ferramentas Genômicas

Ferramentas de aplicação práticas

Avaliações genômicas

Predição do potencial

genético dos

animais e parentes

DEP genômica

Seleção

Modelo

infinitesimal

BLUP / Bayes

Marcadores

genéticos

Medidas nos animais

Produção

Tipo

Reprodução

Auxiliares

Pedigree

2 passos 1 passo

O que é?

O uso de painéis densos de marcadores genéticos

distribuídos em todo o genoma para estimar valores

genéticos dos animais baseado no disequilíbrio de

ligação (DL).

Pressuposição: Existem marcadores suficientes para

capturar a maior parte da variação genética.

Limitação: Grande número de efeitos para estimar.

Densidade do painel vs. DL

Métodos estatísticos

Seleção genômica

Ferramentas Genômicas

Ferramentas de aplicação práticas

Software para predição de DEPs genômicas

(Sargolzaei et al. 2009. DCBGC

Meeting, Oct. 7, 2009)

Ferramentas Genômicas

Ferramentas de aplicação práticas

C++ para plataformas

Windows ou Linux

Métodos: Gblup ou

Regressão Cumeeira

em 2 Passos

Ferramentas Descrição Uso adicional

Reconstrução

de haplótipos e

imputação

Imputação:

• de genótipos perdidos

• de 3k/6k para 50k/777k

• de 50k para 777k

- Aumento da informação genômica

- Redução do custo de genotipagem

- Ajuda no mapeamento fino de genes/QTL

- Detecção de haplótipos deletérios

Relações

genômicas

Construção da matriz de

relacinamento genômico

- Endogamia genômica

- Verificação e descoberta de parentesco

De-regressão De-regressão das DEP,

usando todo o pedigree

- Mapeamento fino de genes/QTL

Treinamento

dos efeitos dos

marcadores

Usando DEPs ou

fenótipos

- Mapeamento fino de genes/QTL

- Testes genéticos

Edição dos

dados

• Conflitos pais-progênie

• Conflitos de sexo e raça

- Verificação e descoberta de parentesco

- Confirmação da raça

Muitos etapas e muitas ferramentas genômicas envolvidas

Ferramentas Genômicas

Seleção genômica

Validação – Ganho em confiança da MPG

comparado com a MP em HO no Canadá

Treinamento 4121 ~1100 domésticas

524 Validação

MP MPG Aumento

Prod. (n=3) 0.39 0.64 0.25

Escore de CS 0.37 0.54 0.17

Tipo (n=5) 0.37 0.58 0.21

(Schenkel et al. 2009. Interbull meeting)

Ferramentas Genômicas

Seleção genômica

Accurácia Intervalo entre

gerações

i RT RG LT LG i x RT i x RG

Pai de touros 2.06 0.99 0.75 6.5 1.75 2.04 1.54

Pai de vacas 1.40 0.75 0.75 6.0 1.75 1.05 1.05

Mãe de touros 2.42 0.60 0.75 5.0 2.0 1.45 1.82

Mãe de vacas 0.27 0.50 0.50 4.25 4.25 0.14 0.14

Total 21.75 9.75 4.68 4.55

Tradicional: 4.68/21.75 = 0.215

Genômico: 4.55/ 9.75 = 0.467

Ganho genético anual esperado:

O dobro com 8% do custo

Simulação – Schaeffer (2006). J. Anim. Breed. Genet. 123: 218–223

Ferramentas Genômicas

Seleção genômica

Impacto da avaliação genômica

(Van Doormaal 2012. CDN article, July 2012)

Ferramentas Genômicas

Ferramentas de aplicação práticas

Tendência genética- Tourinhos HO ofertados no Canada (índice GLPI)

Ganho: 445 pontos/ano

Ganho: 210 pontos/ano

Ganho: 109 pontos/ano

Semestre

GLP

I m

éd

io

Voltando ao mapeamento fino

Ferramentas Genômicas

Ferramentas futuras

163 vacas HO: 81 alta RIMA e 82 baixa RIMA

Genotipadas com Illumina Bovine SNP50

BeadChip

Exemplo: Resposta imune mediada por anti-corpos (RIMA)

Estudo de associação: Método Generalizado de Quase-

Verossimilhança (Feng et al., 2011)

(Thompson-Crispi, K. 2012. Ph.D. Thesis)

Voltando ao mapeamento fino

Ferramentas Genômicas

Ferramentas futuras

Diagrama de Manhattan para resposta imune mediada por anti-corpos em gado HO.

Cromossomo

(Thompson-Crispi, K. 2012. Ph.D. Thesis)

Voltando ao mapeamento fino

Ferramentas Genômicas

Ferramentas futuras

Caminho do processamento e apresentação antígena associada com RIMA. Em

vermelho, os genes associados com RIMA.

(Thompson-Crispi, K. 2012. Ph.D. Thesis)

Painéis de alta densidade x Avaliação multi-raças

Ferramentas Genômicas

Ferramentas futuras

Acurácia da predição genômica (r[DEPG,DF]) obtida com GBlup

(Erbe et al. 2012. J. Dairy Sci. 95 :4114–4129)

Validação Referência

Holandês

Combinado

Holandês Jersey Holandês Jersey Holandês Jersey

Jersey

Produção de leite

Modelos alternativos

Ferramentas Genômicas

Ferramentas futuras

(Erbe et al. 2012. J. Dairy Sci. 95 :4114–4129)

Bayes R: Assume uma mistura de 4 distribuições

normais que explicam 0%, 0.01%, 0.1% e 1% da

variação.

Bayes M: Assume uma única distribuição normal,

mas amostra a fase de ligação (sinal do efeito).

(Chen. 2012. Ph.D. thesis - Em preparação)

Modelo tradicional

Ferramentas Genômicas

Ferramentas futuras

Gblup: Assume uma única distribuição normal e

uma única fase de ligação.

- Distribuição simétrica dos efeitos dos marcadores

com uma variância comum

- Não modela a fase de ligação

- Usa todos os marcadores na predição

Ferramentas Genômicas

Ferramentas futuras

Painel

Validação Referência

Holandês

Combinado

Holandês Jersey Holandês Jersey Holandês Jersey

Jersey

Acurácia da predição genômica (r[DEPG,DF]) obtida com Bayes R *

* Media para produção de leite, gordura e proteína

(Erbe et al. 2012. J. Dairy Sci. 95 :4114–4129)

Painéis de alta densidade x Avaliação multi-raças

Modelos alternativos

Ferramentas Genômicas

Ferramentas futuras

Painel

Método

Gblup

Criar e inverter G

ASREML

Bayes R

(Erbe et al. 2012. J. Dairy Sci. 95 :4114–4129)

O que teremos no futuro próximo

Ferramentas Genômicas

Ferramentas futuras

Sequenciamento completo: Projeto 1000 Touros (várias

raças) – Dr. Ben Hayes (Austrália)

Populações referências para imputação de 50k

e 777k para a sequência completa.

Mais informação genômica disponível !!!

O que teremos no futuro próximo

Ferramentas Genômicas

Ferramentas futuras

Mais ênfase em fêmeas: Imputação para AD e

para a sequência completa.

Projeto “genoma imputado de 10000 vacas”

- Australia

- Canada

Possiibilidades:

- Aumentar acurácia das avaliações genômicas

- Minimizar viés devido a tratamento preferencial

O que teremos no futuro próximo

Ferramentas Genômicas

Ferramentas futuras

Mais ênfase em filtragem/seleção de SNPs:

Baseada em Estatística e Biologia

Métodos novos/aprimorados

Possiibilidades:

- Aumentar acurácia das avaliações genômicas

- Avaliações genômicas multi-raciais

O que teremos no futuro próximo

Ferramentas Genômicas

Ferramentas futuras

Testes genéticos:

Para características específicas, tais como resistência a

doenças e reprodução.

Exemplo: Haplótipos influenciando fertilidade em gado

leiteiro

Haplótipo HH1

A mutação causal foi encontrada

CGA -> Arginina

TGA -> Codon de terminação

Gene APAF1 é importante para o desenvolviemnto embrionário normal

(VanRaden et al. 2011. JDS, 94:6153-6161)

O que teremos no futuro próximo

Ferramentas Genômicas

Ferramentas futuras

Haplótipos recessivos:

O que teremos no futuro próximo

Ferramentas Genômicas

Ferramentas futuras

Exemplo: Haplótipos influenciando fertilidade em gado

leiteiro

Impacto

Freq TC TNR Primeiros ancestrais conhecidos

Holstein

HH1 4.5% -3.1% -1.1% Pawnee Farm Arlinda Chief

HH2 4.6% -3.0% -1.7% Willowholme Mark Anthony

HH3 4.7% -3.2% -3.1% Gray View Skyliner e Glendell A. Chief

Jersey

JH1 23.4% -3.7% -3.7% Observer Chocolate Soldier

Brown Swiss

BH1 14.0% -3.4% -2.5% West Lawn Stretch Improver

(Van Doormaal 2011. CDN article, August 2011)

Ferramentas Genômicas

Conclusões

Não há magia em genômica.

Somente há valor se:

Desenvolvermos informações relevantes através de

ferramentas úteis e práticas.

Colaboração é fundamental para a implementação

com sucesso das ferramentas genômicas

- População de referência/treinamento

- Pesquisa e desenvolvimento

- Treinamento de pessoal qualificado

Ferramentas Genômicas

Conclusões

• Parceiros da indústria:

- L’Alliance Boviteq Inc

- CDN/DairyGen

- Associações de Raça

• Agências de financiamento:

- Ontario Centre for Agricultural Genomics

- NSERC

- Genome Canada/Genome Alberta

• Colaboradores internacionais:

- AIPL-USDA

• Estudantes, Pos-doutorandos, e Pesquisadores associados em Guelph

Acknowledgments Ferramentas Genômicas

Agradecimentos

-

Ferramentas Genômicas

Agradecimentos

Promoção:

Muito

Obrigado

Ferramentas Genômicas

Imputação baseada na informação da população:

Procura de haplótipos longos a curtos ~ De parentes

próximos a distantes

Ferramentas Genômicas

Ferramentas de aplicação básicas

Endogamia Genômica

(Stachowicz 2010. Ph.D. thesis, UofG)

Ferramentas Genômicas

Ferramentas futuras