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

esis

Terp

enoi

d ba

ckbo

ne...

PPA

R si

gnal

ing

pat.

..

Bios

ynth

esis

of u

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