CALIDAD DE LA CARNE PORCINA: ARQUITECTURA GENETICA DEL METABOLISMO LIPÍDICO Raquel QuintanillaBarcelona (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 fusiónCantidad y composición grasa
CALIDAD HIGIÉNICA• Cantidad microorganismos• Residuos• Contaminantes
3
Color Tenderness Juiciness Flavor • Myoglobin• Fat
• post mortem• Storage of meat • Collagen• IMF
• Water content• IMF
• FA• Sexual odor
Efecto positivoDavis et al. (1975)
Gandemer et al. (1990)Hodgson et al. (1991)
Fernández et al. (1999)Brewer et al. (2001) Moeller et al. (2010)
Sin efectoHovenier et al. (1993)Blanchard et al. (2000)van Laack et al. (2001)Lonergan et al. (2007)
Efecto NegativoGandemer et al. (1990)Hodgson et al. (1991)Brewer et al. (2001) Moeller et al. (2010)
Umbrales sugeridos para el % de Grasa Intramuscular2% (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.
Efecto de la Grasa Intramucular
PROPIEDADES ORGANOLÉPTICAS
Atributos sensoriales del jamón curado y cantidad y composición de la GIM en fresco
Pena, Gallardo, Guàrdia, Reixach, Arnau, Amills & Quintanilla. Journal of Animal Science 2013.
350 Duroc barrows
RAW MEAT Gluteus medius•Intramuscular fat•Fatty Acids•Cholesterol content
ORGANOLEPTIC CHARACTERISATIONDRY-CURED HAMS:
6 expert panelists •Appearence•Taste-flavour •Texture
2 muscles•biceps femoris•semimembranosus
A
B SM
BF
Sección B
Sección A
SM
BF
-1 -0.5 0 0.5 1-1
-0.5
0
0.5
1
color
veteado
Aceptabilidadadhesividad
amargomaduro
coquera
curado
dulce
durezadesmenuz.fibrosidad
fusiónmetálico
pastosidad
picante
salado
umami
colorveteado
Aceptabilidad
adhesividad
amargo
maduro
coquera
curado
dulce
dureza
desmenuz.
fibrosidad
fusión
metálicopastosidad
picante
salado
umami
gluteus medius biceps femoris semimembranosus
Component 1 (19.25%)
Com
pone
nt 2
(18.
34%
)
• 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.
QUÉ TIPO DE CALIDAD SE REQUIERE ?
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
EN QUÉ SENTIDO AFECTA A LOS DISTINTOS PARÁMETROS DE CALIDAD?
• AG monoinsaturados (MUFA)• AG poliinsaturados (PUFA)• AG Saturados (SFA)• Contenido en colesterol
Calidad TecnológicaProcesado
Calidad NutricionalSalud del consumidor
GRASA INTRAMUSCULAR: factor con mayor incidencia en calidad
Depósito de Grasa Intramuscular
(contenido y composición)
METABOLISMO LIPÍDICO
• Oxidación / enranciamiento
• Firmeza / Punto de fusión
• Retención agua
Calidad organolépticaApreciación sensorial
• Apariencia• Flavor• Sabor• Terneza• Jugosidad
Exogenous fat source
Endogenous synthesis
Adipogenesis
Fat oxidation 1-2 % grasa 20-35 % grasa
Newborn 100 kg pig
Distribución de la grasa:60-70 % subcutánea5 % grasa perirenal20-35 % intermuscular 1-2% intramuscular
METABOLISMO LIPÍDICO EN PORCINO
Depósito de Grasa Intramuscular
(contenido y composición)
METABOLISMO LIPÍDICO
METABOLISMO LIPÍDICO EN PORCINO
PROCESOS Y RUTAS BIOLÓGICAS:
• Absorción de lípidos en el intestino• Absorción y depósito de lípidos en tejidos• Lipogénesis / Adipogénesis• Lipólisis
• Sexo• Nutrición• Línea genética (raza)• Genética individual
FACTORES QUE INCIDEN EN EL DEPÓSITO DE GRASA INTRAMUSCULAR
VARIABILIDAD GENÉTICA ENTRE POBLACIONES
VARIABILIDAD GENÉTICA ENTRE POBLACIONES en relación a GIM
LARGE WHITEPIETRAIN DUROC IBÉRICO
- GIM +
LANDRACE
0,7 % 9 %
MEJORA DE LA CALIDAD A TRAVÉS DEL CRUZAMIENTO
- MUFA, SFA + +
- PUFA +
VARIABILIDAD GENÉTICA DENTRO DE UNA POBLACIÓN
= Genética
+ Ambiente (Nutrición)
+ Interacción (G * E)
Genetic gain
GenerationN+1
Fenotipo Individual
SELECCIÓN
EpigenéticaNutrigenómica
fenotípicaVarianzaaditivagenéticaVarianza2h
Heredabilidad
VARIANZA GENÉTICA = POSIBILIDAD DE SELECCIÓN
EXISTE UNA BASE GENÉTICA EN EL DEPÓSITO DE GIM ?
HERITABILITIES Longissimus dorsi Gluteus
medius Intramuscular fat (%) 0.65 **** 0.58 **** Cholesterol content 0.20 * 0.22 * Oleic FA (%) 0.15 * 0.21 * Palmitic FA (%) 0.30 ** 0.30 ** Stearic FA (%) 0.33 *** 0.53 *** Omega 6 FA (%) 0.14 n.s. 0.14 * Omega 3 FA (%) 0.14 n.s. 0.16 *
Heritability of IMF content and FA profile in a Duroc population. Casellas, Noguera, Reixach, Díaz, Amills & Quintanilla. Journal of Animal Science 2010.
Correlación genética con engrasamiento (BFT): de 0.25 a 0.40
Heredabilidad de la grasa intramuscular: de 0.26 a 0.86; media 0.50 (Sellier, 1998)
Knapp et al. 1997 0.38 (LW), 0.67 (LD), 0.32 (Pi)Larzul et al. 1997 0.44 (LW) Hermesch et al. 2000 0.35 (LW & LD) Fernández et al. 2003 0.25 (IB)Suzuki et al. 2005 0.39 (Du)
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)
SELECCIÓN PARA GRASA INTRAMUSCULAR
ARQUITECTURA GENÉTICA DEL METABOLISMO LIPÍDICO Y LA CALIDAD DE CARNE
Línea de investigación del IRTA desde 1996
• Identificar genes y polimorfismos asociados
Gene / Marker Assisted Selection
• Rutas genéticas y mecanismos reguladores
Mecanismos genéticos implicados
• Desarrollar nuevas estrategias de selección
Selección genómica
IBMAP projects 1996-2011IRTA-INIA-UAB
LIPGEN projects 2003-presentIRTA-CRAG
IBERCAL project2013-presentIRTA - UEX
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)
- Color- Grasa intramuscular- Colesterol en músculo- Perfil ácidos grasos
Jamones CuradosPerfil sensorial:- Atributos visuales- Atributos de
sabor/aroma - Atributos de textura
CARACTERES RELACIONADOS CON EL METABOLISMO LIPÍDICOParticular 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
CRECIENTE DISPONIBILIDAD DE INFORMACIÓN
NECESIDAD DE APROXIMACIONES CADA VEZ MÁS HOLÍSTICAS Y MULTIDISCIPLINARES
Genome Proteome
mRNA
DNA
Transcriptome
Microbiome
Metabolome
FENOMA
ENVIRONMENT(NUTRITION)
PIGGENETICS
19
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
INVESTIGACIONES EN LOS ÚLTIMOS 20 AÑOS
Genetics of lipid metabolism
155 QTL para el contenido en grasa intramuscular
10,497 pig QTLs from 416 publications representing 649 different pig traits
QTL - REGIONES GENÓMICAS ASOCIADAS A LOS FENOTIPOS
QTL para GRASA INTRAMUSCULAR
Varona et al. Genetical Research 2002Ovilo et al. J. Anim. Sci. 2002Perez-Enciso et al. Genetics. 2002Clop et al. Mamm. Genome. 2003Peréz-Enciso et al. J. Anim. Sci. 2005Mercadé et al. Mamm. Genome 2005Gallardo et al. Physiol. Genom. 2008Quintanilla et al. J. Anim. Sci. 2011Gallardo et al. Anim. Genet. 2011Pena et al. J. Anim. Sci. 2013
QTL en población experimental DUROC
QTL - REGIONES GENÓMICAS ASOCIADAS A LOS FENOTIPOS
0
2
4
6
8
10
12
SSC6
IMF QTLQ – Iberian alleleq – Landrace allele
IBÉRICO (QQ)Q allele high IMF
Posibilidad de una introgresión mediante cruzamiento recíproco del alelo Ibérico en otras poblaciones.
SSC Metabolismo lipídico y calidad
1 BFT, IMF
3 LDL, Triglycerides, IMF, Aged, Adhesiv., Hedonic
4 Triglycerides, FA profile, Matured
6 IMF, muscle_Cholesterol, Adhesiv., Pastiness, Hedonic
7 BFT, IMF, FA profileAged, Hedonic sc.
12 HDL, FA profile, colourAdhesiv., Pastiness, Hedonic
13 Triglycerides, FA profile
Ovilo et al. J. Anim. Sci. 2002
QTL en cruce divergente IB x LD
GWAS - GENOME WIDE ASSOCIATION ANALYSES
Hernández, Amills, Pena, Mercadé, Manunza & Quintanilla. J. Anim. Sci. 2013
Distribution of additive genetic variance across genome in a Duroc population
utilizando paneles de alta densidad (>60K SNP)
ALGUNOS GENES MAYORES PARA CALIDAD DE CARNE:
RYR1 - Ryanodine Receptor
CAST – Calpastatin
PRKAG3 - Protein Kinase Adenosine Monophosphate-Activated γ3-subunit
SCD - Estearoil-CoA Desaturasa
Amplificación & Secuenciación
Identificación de variantes segregando
Genotipado de toda la población
DNA de una muestra de cerdos
ESTUDIOS DE ASSOCIACIÓN
GEN CANDIDATO
ESTUDIO DE GENES CANDIDATOS POSICIONALES Y FUNCTIONALES
OTROS GENES CON RELACIÓN FUNCIONALGene Polymorphism Breed1 Association2 Reference
ACACA c.4899G>A and c.5196T>C
DU HPD > 0.90 Gallardo et al. (2009)
CMYA5 A7189C ME, DU, LW, LD, TO, QI
* Xu et al. (2011)
ENO3 g.404delT YK, LD, YK x LD, YK × ME
** Wu et al. (2008)
FABP3 HaeIII, HinfI, MspI RFLP
DU * Gerbens et al. (1999)
MspI RFLP PI, LW, LD NS Nechtelberger et al. (2001)HaeIII RFLP IB × LD NS Óvilo et al. (2002)HinfI RFLP LW, LD NS Urban et al. (2002)HinfI RFLP LD/DU ×
LD/YK* Árnyasi et al. (2006)
HaeIII, HinfI, MspI RFLP
Diverse Chinese breeds
* Pang et al. (2006)
HinfI RFLP BE * Lee et al. (2010)HinfI RFLP DU ** Schwab et al. (2009)
FTO c.594C>G, c.1119-261A>G
BE x YK * Fan et al. (2009)
g.276T>G Commercial pigs * Fontanesi et al. (2010)
HDLBP c.3120G>A DU *** Cánovas et al. (2009)
LEPR HpaII RFLP IB × LD NS Óvilo et al. (2002)c.221C>T,
c.1160A>C, c.2002C>T
IB × LD NS Óvilo et al. (2005)
T232A LD NS Mackowski et al. (2005)c.2002C>T IB × DU *** Muñoz et al. (2011)
LPIN1 C93T LW, TO and crossbreds
** He et al. (2009)
MC4R c.1426A>G IB × DU NS Muñoz et al. (2011)DU NS Schwab et al. (2009)
MYOD1 DdeI RFLP LW, LD *** Verner et al. (2006)DdeI RFLP LW × ME NS Liu et al. (2008)
Esquema de la lipogénesis (Chen et al. 2007b)
OTROS GENES CON RELACIÓN FUNCIONALACACA Fatty acids profile Gallardo et al. 2009. Anim. Genet.
HDLBP Intramuscular fatCánovas 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.
Mutación en gen SCD que aumenta el contenido en MUFA y disminuye el contenido en SFA.
ANÁLISIS DEL TRANSCRIPTOMA (ASOCIACIONES FUNCIONALES)
-3
-2
-1
0
1
2
3
-3 -2 -1 0 1 2 3
Principal Component 1
Pri
nci
pal
Co
mp
on
en
t 2
High group
Low group
Whole population
CHOL
HDL
LDL
TG LW BFT
LEAN
HFT
IMF
SFA
PUFA
MUFA
Cánovas, Quintanilla, Amills, Pena. BMC Genomics 2010
0
1
2
3
4
5
6
Fo
ld-c
ha
ng
e r
ati
o
Microarray ratio
qPCR ratio
HIGH groupLOW group
Genes implicados en metabolismo lipídico, diferenciación celular y balance energético.
Expresión diferencial en músculo entre individuos con fenotipos divergentes para deposición de grasa
eQTL scan en el músculo gluteus medius skeletal muscleCánovas, Pena, Gallardo, Ramírez, Amills & Quintanilla. PLOS ONE 2011
• 613 eQTL(478 with mapped probes; 59 cis-eQTL)
• e-QTL co-localized with our QTL
• 11 trans-regulatory hotspots on chromosomes 1, 2, 3, 5, 6, 7, 12
REGULACIÓN DEL TRANSCRIPTOMA (eQTL)TRANSCRIPTOMICS
CORRELACIÓN CON LOS FENOTIPOS
17 m
odul
os d
e ge
nes
co-e
xpre
ssed
gen
es
REDES GÉNICASREDES ASOCIADAS AL METABOLISMO LIPÍDICO EN HÍGADOWeighted Gene Co-expression Networks
Ster
oid
bios
ynth
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Terp
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PPA
R si
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..
Bios
ynth
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nsa.
..
Gly
cero
lipid
met
ab...
Gly
cero
phos
phol
ip...
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
EBP CYP51A1
SQLE SC5DL FDFT1 NSDHL
HMGCR HMGCS1FDPSIDI1
PPARDCYP7A1
SCDFADS2 ACSL3 SCD
FADS2 ACOT4
LCLAT1 PPAP2A GPAMLCLAT1 PPAP2A GPAM
Green-Yelow MODULE (90 genes)ENRICHED BIOLOGICAL PATHWAYS
-log(
pval
ue)RUTAS BIOLÓGICAS
participadas por los genes del módulo más asociado con el metabolismo lipídico
REDES GÉNICASREDES ASOCIADAS AL METABOLISMO LIPÍDICO EN HÍGADO
•157 genes • 385 interactions
Gene Network visualization (Two modules)
TanGreen-Yellow
LM related genes
• 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
TRANSCRIPTOMICSREDES GÉNICASREDES ASOCIADAS AL METABOLISMO LIPÍDICO EN HÍGADOWeighted Gene Co-expression Networks
Integración de redes génicas• Redes de co-expresión y epistáticas
• Redes génicas en distintos tejidos
• Genes clave regulando la topología de las redes
REDES GÉNICAS
ARQUITECTURA GENÉTICA DEL METABOLISMO LIPÍDICO Y LA CALIDAD DE CARNE
Línea de investigación del IRTA desde 1996
• Identificar genes y polimorfismos asociados
Gene / Marker Assisted Selection
• Rutas genéticas y mecanismos reguladores
Mecanismos genéticos implicados
• Desarrollar nuevas estrategias de selección
Selección genómica
IBMAP projects 1996-2011IRTA-INIA-UAB
LIPGEN projects 2003-presentIRTA-CRAG
IBERCAL project2013-presentIRTA - UEX
Caracteres difíciles de medirResistencia a enfermedades
Caracteres con baja heredabilidadReproductivos
Caracteres expresados en un solo sexoProlificidad
Medibles en la madurez del individuoLongevidad, reproductivos
Medibles después del sacrificioCalidad de carne
Valor de la información genómica para la evaluación genética y la selección (MAS, GAS, GS)
SNP (Single Nucleotide Polymorphisms)
PorcineSNP60 BeadChip60K 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 2009Modifying growth curve parameters by multitrait genomic selection. Journal of Animal Science 2011
SELECCIÓN GENÓMICA
TRANSCRIPTOMA
• Identificación de variantes (exónicas y variantes transcripcionales)
• Cuantificación de la expresión
• Asociación con los fenotipos y expresión
Experimento RNA-Seq(2x75bp, >50M reads)
RNA
Illumina HiSeq 2000
DATOS DE SECUENCIA - Next Generation SequencingSecuenciación genómica
(x 25-30 )
GENOMA
• Identificación de varianteso Identificación de variación no-sinónimao Variantes en regiones reguladoraso Conjunto reducido de SNP candidatos
(chip reducido)
• Asociación con fenotipos y expresión
DNA
Centro Nacional Análisis Genómico
• 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
ESTUDIOS EN CURSO Y FUTUROShacia aproximaciones más holísticas y multidisciplinares
RETO: Análisis integral de toda la información
Colaboradores
Armand SánchezMarcel AmillsMiguel Pérez-EncisoJosep M. FolchQuim CasellasAngela CánovasDavid Gallardo
Luis SilióM. Carmen RodríguezCristina ÓviloAna FernándezEstefania Alvés
Romi PenaJoan EstanyLuis Varona
ANIMAL BREEDING & GENETICSJoan TibauJosé L. NogueraNoelia IbáñezJuan P. SánchezMiriam PilesQuim SolerMateu Tulsà
PRODUCT QUALITYM.Angels OliverMarina GispertFOOD TECHNOLOGYDolors GuàrdiaJacint ArnauFUNCTIONALITY & NUTRITIONIsabel Díaz
Josep Reixach
Emilio Magallón
NUTRITION & WELFAREJ. Brufau TorrallardonaE. EsteveR. LizardoE. FàbregaA. DalmauA. Velarde
GIROF. PrenafetaM. ViñasA. Bonmatí
MUCHAS GRACIAS