El esfuerzo de seis años involucró a un consorcio internacional de investigadores y es la primera secuencia completa del genoma de cualquier especie rumiante. Los rumiantes se distinguen por tener un estómago de cuatro cámaras que, con la ayuda de una multitud de microbios residentes, les permite digerir forraje de baja calidad, como la hierba.
El genoma bovino consta de al menos 22.000 genes codificadores de proteínas y es más similar al de los seres humanos que al de los genomas de ratones o ratas, informan los investigadores. Sin embargo, el genoma del ganado parece haber sido reorganizado significativamente ya que su linaje divergió de los de otros mamíferos, dijo Harris Lewin, profesor de ciencias animales de la Universidad de Illinois, cuyo laboratorio creó el mapa físico de alta resolución de los cromosomas bovinos que se utilizó para alinear la secuencia. Lewin, que dirige el Instituto de Biología Genómica, también dirigió dos equipos de investigadores en el proyecto de secuenciación y es autor de un artículo de Perspectiva en Science sobre la secuencia del genoma bovino y un estudio complementario del Consorcio de Análisis y Genoma Bovino.
» Entre los mamíferos, el ganado tiene uno de los genomas más reorganizados», dijo Lewin. «Parecen tener más translocaciones e inversiones (de fragmentos cromosómicos) que otros mamíferos, como gatos e incluso cerdos, que están estrechamente relacionados con el ganado.
«El ser humano es en realidad un genoma muy conservado en comparación con el genoma ancestral de todos los mamíferos placentarios, cuando se observa su organización general.»
La secuencia de los 29 pares de cromosomas de la vaca y su cromosoma X (el cromosoma Y no se estudió) también proporciona nuevos conocimientos sobre la evolución de los bovinos y los rasgos únicos que hacen que el ganado sea útil para los humanos, dijo Lewin.
Por ejemplo, el profesor de investigación de ciencias animales de Illinois Denis Larkin realizó un análisis de las regiones cromosómicas que son propensas a la rotura cuando una célula replica su genoma en preparación para la creación de espermatozoides y óvulos. Demostró que en el genoma del ganado, estas regiones de punto de ruptura son ricas en secuencias repetitivas y duplicaciones segmentarias e incluyen variaciones específicas de especie en los genes asociados con la lactancia y la respuesta inmune.
Un estudio previo del laboratorio de Lewin publicado este mes en Genome Research mostró que las regiones de punto de ruptura de los cromosomas de muchas especies son ricas en genes duplicados y que las funciones de los genes encontrados en estas regiones difieren significativamente de las que se encuentran en otros cromosomas.
Estas repeticiones y duplicaciones segmentarias se producen por medio de muchos mecanismos diferentes, uno de los cuales implica inserciones esporádicas y repetidas de pequeños fragmentos de material genético, llamados retroposones, en el genoma.
» El genoma de la vaca tiene muchos tipos de repeticiones que se acumulan con el tiempo», dijo Lewin. «Y una de las cosas que encontramos es que las nuevas se lanzan hacia donde están las antiguas en las regiones de punto de interrupción y las separan. Es la primera vez que se ve eso.»
«Las repeticiones hacen muchas cosas», dijo. «Pueden cambiar la regulación de los genes. Pueden hacer que los cromosomas sean inestables y que sea más probable que se recombinen con otros fragmentos de cromosomas de manera inapropiada.»
Lewin llama a las regiones de punto de interrupción » puntos calientes de evolución en el genoma.»
Otro análisis dirigido por Lewin, un estudio de genes metabólicos realizado por Seongwon Seo, becario postdoctoral en el laboratorio de Lewin y ahora profesor en la Universidad Nacional de Chungnam en Corea del Sur, encontró que cinco de los 1.032 genes dedicados a funciones metabólicas en humanos faltan en el genoma del ganado o han divergido radicalmente. Esto sugiere que el ganado tiene algunas vías metabólicas únicas, dijo Lewin.
Estas diferencias en el metabolismo, junto con los cambios en los genes dedicados a la reproducción, la lactancia y la inmunidad, son una gran parte de «lo que hace que una vaca sea una vaca», dijo Lewin.
Por ejemplo, uno de los genes modificados, la histaterina, produce una proteína en la leche de vaca que tiene propiedades antimicrobianas. Los investigadores también encontraron múltiples copias de un gen de una proteína importante de la leche, la caseína, en una región de punto de ruptura de uno de los cromosomas.
«Tener la secuencia del genoma es ahora la ventana para comprender cómo ocurrieron estos cambios, cómo los rumiantes terminaron con un estómago de cuatro cámaras en lugar de uno, cómo funciona el sistema inmunitario de la vaca y cómo es capaz de secretar grandes cantidades de proteína en su leche», dijo Lewin.
El proyecto de secuenciación y análisis fue coordinado por Richard Gibbs y George Weinstock, de la Facultad de Medicina de Baylor; Chris Elsik, de la Universidad de Georgetown; y Ross Tellam, de la Organización de Investigación Científica e Industrial del Commonwealth de Australia (CSIRO). Lawrence Schook, profesor de ciencias animales de la Universidad de Illinois, formó parte del equipo que escribió el libro blanco del proyecto de secuenciación, que fue fundamental para obtener fondos para la iniciativa.
El financiamiento para el proyecto de secuenciación del genoma bovino fue proporcionado por un grupo internacional compuesto por el Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano de los Institutos Nacionales de Salud; el Servicio de Investigación del USDA; una subvención especial de la Iniciativa Nacional de Investigación Cooperativa del Servicio Estatal de Investigación, Educación y Extensión (CSREES) del USDA; ; Genome Canada a través de Genome British Columbia; the Alberta Science and Research Authority; CSIRO; Agritech Investments Ltd., Nueva Zelanda; Dairy Insight Inc., Nueva Zelandia; AgResearch Ltd., Nueva Zelanda; el Consejo de Investigación de Noruega; la Fundación Kleberg; y los Fondos Nacionales, de Texas y Dakota del Sur para Cheques de Carne de Res.
El trabajo en Illinois se realizó con fondos de la Iniciativa Nacional de Investigación CSREES del USDA y una Subvención Especial del USDA-CSREES para la Iniciativa de Secuenciación del Genoma del Ganado.
Junto con los artículos científicos, los investigadores publicaron 20 informes complementarios que describen análisis más detallados de la secuencia del genoma del ganado doméstico en revistas de la editorial de acceso abierto BioMed Central. Se puede acceder libremente a todos los artículos en http://www.biomedcentral.com/series/bovine.