Haplotipo

Haplotipo^[1] (do grego ἁπλοῦς, haplous, "único, simple") é un termo xenético que pode ter varios significados segundo o contexto. En xeral, en xenética un haplotipo é unha combinación de alelos (secuencias de ADN) situadas en sitios adxacentes (loci) nun cromosoma, que se herdan xuntos. Un haplotipo pode ser un locus, varios loci, ou un cromosoma enteiro dependendo do número de episodios de recombinacións que tivesen ocorrido entre un conxunto de loci dado.

Un segundo significado de haplotipo é o de conxunto de polimorfismos dun só nucleótido (SNPs) situados nun dos cromosomas pertencente a un par cromosómico que están asociados estatisticamente. Pénsase que estas asociacións, e a identificación duns poucos alelos dunha secuencia de haplotipo, poden identificar de forma clara todos os outros sitios polimórficos da súa rexión. Esta información é moi valiosa para investigar as enfermidades de orixe xenética máis comúns, e para o caso da especie humana foi examinada polo Proxecto HapMap Internacional (International HapMap Project).^[2][3]

Moitas compañías que fan probas xenéticas usan o termo haplotipo para referirse a unha colección individual de mutacións alélicas de repeticións en tándem curtas (STR) dentro dun segmento xenético, mentres que reservan o termo haplogrupo para referirse a mutacións SNP/polimorfismo de evento único (UEP), as cales representan o clado ao que pertence unha colección de potenciais haplotipos (o termo clado significa aquí un conxunto de persoas que comparten un antepasado común).^[4]

Dada a alta variabilidade alélica no xenoma humano, a probabilidade de que dous individuos non relacionados presenten un mesmo haplotipo, é practicamente nula. Por iso o estudo dos haplotipos converteuse nunha ferramenta útil na determinación da relación xenética entre individuos, e, por tanto, no estudo da orixe de mutacións causantes de diversos padecementos. Deste modo, podemos dicir que unha mutación dada, presente en dous individuos aparentemente non relacionados ten unha mesma orixe, se ao realizarmos un estudo de haplotipos, o haplotipo relacionado coa mutación nun dos individuos é igual ao haplotipo relacionado coa mutación no outro individuo. Os estudos realizados comprobaron que os SNPs (polimorfismos dun único nucleótido) se herdan en grupos que se encontran estreitamente relacionados no ADN, o que contradí a idea anterior de que se producía a segregación aleatoria debido á recombinación xenética. A este grupo de SNPs que se herdan en bloque é ao que se denomina haplotipos.

O xenotipo dun organismo pode non definir o seu haplotipo por si só. Por exemplo, considerando un organismo diploide e dous loci bialélicos (como os SNPs) situados no mesmo cromosoma. Asumindo que o primeiro locus ten os alelos A ou T e o segundo locus os G ou C. Entón, ambos os loci poden ter tres posibles xenotipos: (AA, AT, e TT) e (GG, GC, e CC), respectivamente. Para un individuo dado, hai nove posibles configuracións (haplotipos) neses dous loci (que se mostran no cadro de Punnett de máis abaixo). Para os individuos que son homocigotos nun dos loci ou en ambos, os haplotipos non son ambiguos, o que significa que non hai diferenza entre os haplotipos T1T2 e T2T1; onde T1 e T2 están marcados para mostrar que son o mesmo locus, pero tanto ten a orde en que se consideren, porque o resultado final son dous loci T. Para individuos heterocigotos en ambos os loci, a fase gamética^[5] é ambigua, e neses casos non se sabe cal é exactamente o haplotipo, por exemplo TA ou AT.

O único método inequívoco de resolver a ambigüidade de fase é facendo a secuenciación do ADN. Porén, é posible estimar a probabilidade dun haplotipo particular cando a fase é ambigua usando unha mostra de individuos.

Dados os xenotipos dunha certa cantidade de individuos, os haplotipos poden inferirse por resolución de haplotipos ou técnicas de fase de haplotipos. Estes métodos funcionan tendo en conta que certos haplotipos son comúns en certas rexións xenómicas. Por tanto, dado un conxunto de posibles resolucións de haplotipos, estes métodos elixen os que usan menos haplotipos diferentes en conxunto. Os detalles destes métodos varían. Algúns están baseados en enfoques combinatorios (por exemplo, a parsimonia), mentres que outros utilizan funcións de probabilidade baseadas en diferentes modelos e asuncións como o principio de Hardy-Weinberg, o modelo da teoría da coalescencia, ou a filoxenia perfecta. Estes mmodelos combínanse con algoritmos de optimización como o algoritmo de expectación-maximización (EM), o método Monte Carlo por cadeas de Markov (MCMC), ou modelos de Markov ocultos (HMM).

O haplotipado de xenoma completo microfluídico é unha técnica para a separación física de cromosomas individuais nunha célula en metafase seguida da resolución directa do haplotipo para cda alelo.

A diferenza doutros cromosomas, o cromosoma Y non aparece en pares. Cada macho de mamífero ten unha soa copia dese cromosoma. Isto significa que non hai posibilidade de variación na copia que se herda, e tamén (na maioría dese cromosoma) non hai intercambios entre as copias de cromosomas homólogos durante a recombinación xenética (practicamente non se recombina co outro cromosoma do par sexual, o cromosoma X); por tanto, a diferenza do que ocorre cos haplotipos de cromosomas autosómicos, non hai distribución aleatoria nos haplotipos dos cromosomas Y entre xeracións. Un macho humano debería ter un cromosoma Y fundamentalmente igual ao do seu pai, se acaso con algunhas mutacións; así, os cromosomas Y tenden a transmitirse esencialmente intactos de pais a fillos, pero cun pequeno e acumulativo número de mutacións que poden servir para diferenciar as liñaxes dos machos. En particular, o ADN do cromosoma Y (ADN-Y ou Y-DNA) representado como os resultados numerados dun test de ADN xenealóxico do ADN-Y debería coincidir nunha liñaxe, excepto nas mutacións.

Os resultados dos haplotipos de ADN das probas do ADN do cromosoma Y poden dividirse en dúas partes: os resultados dos UEPs, ás veces chamados nun sentido lato resultados SNP (xa que a maioría dos UEPs son SNPs), e os resultados das secuencias STR microsatélites (Y-STRs). Os polimorfismos de evento único (UEPs) como os SNPs representan os haplogrupos. As repeticións en tándem curtas (STRs) representan os haplotipos.

Os resultados UEP representan a herdanza de eventos que se cre se pode asumir que ocorreron só unha vez na historia evolutiva humana. Poden utilizarse para identificar os haplogrupos do ADN do cromosoma Y do individuo, e o seu lugar na "árbore de familia" de toda a humanidade. Os diferentes haplogrupos do ADN do cromosoma Y identifican poboacións xenéticas que están a miúdo claramente asociadas con rexións xeográficas determinadas; a súa aparición en poboacións máis recentes localizadas en diferentes rexións representa as migracións que realizaron hai decenas de miles de anos os antepasados por liña paterna (patrilineais) directos dos individuos actuais.

O haplotipo Y-STR é o conxunto de resultados dos marcadores Y-STR probados.

A diferenza das UEPs, os Y-STRs mutan moito máis facilmente, o que permite utilizalos para distinguir a xenealoxía recente. Pero iso tamén significa que os haplotipos Y-STR, en vez de representar unha poboación de descendentes dun evento xenético que comparten todos o mesmo resultado, probablemente se separaron formando por camiños independentes un cluster que presenta máis ou menos os mesmos resultados. Tipicamente, este cluster terá un centro máis probable definido, chamado haplotipo modal (presumiblemente similar ao haplotipo do evento orixinal fundador), e tamén unha diversidade de haplotipo, que é o grao no cal se estenderon. Canto máis antigo no pasado fose o evento definitorio, e canto máis cedo creceu a poboación posterior, maior será a diversidade de haplotipo para un determinado número de descendentes. Porén, se a diversidade do haplotipo é menor para un determinado número de descendentes, isto pode indicar un antepasado común máis recente, ou unha expansión da poboación recente.

Hai que salientar que, a diferenza dos UEPs, dous individuos cun haplotipo Y-STR similar non necesariamente teñen un antepasado similar. Os eventos Y-STR non son únicos e irrepetibles. Polo contrario, os clusters de resultados de haplotipos Y-STR herdados de diferentes eventos e diferentes historias tenden a se solapar.

Na maior parte dos casos, os eventos definitorios dos haplogrupos ocorreron hai moito tempo, polo que tipicamente o cluster de resultados de haplotipos Y-STR asociados con descendentes dese evento fíxose bastante amplo. Estes resultados tenderán a solapar significativamente os clusters (de amplitude similar) de haplotipos Y-STR asociados con outros haplogrupos. Isto fai imposible que os investigadores predigan con absoluta certeza a que haplogrupo de ADN-Y sinala un haplotipo Y-STR. Se non foron examinados os UEPs, os Y-STRs poden usarse só para predicir probabilidades para unha liñaxe de haplogrupo, mais non certezas.

Un escenario similar preséntase cando se trata de avaliar se ter un apelido en común indica ter un devanceiro en común. Un cluster de haplotipos Y-STR similares pode indicar que se comparte un antepasado común, cun haplotipo modal identificable, pero só se o cluster é distinto dabondo do que podía terse dado por casualidade a partir de diferentes individuos que adoptaron historicamente o mesmo nome independentemente. Moitos nomes adoptáronse a partir de ocupacións comúns, por exemplo, ou estaban asociados con vivir ou ter nacido nun lugar determinado. Cómpre unha tipificación máis ampla para establecer unha xenealoxía xenética. As empresas que fan tests de ADN comerciais ofrecen agora aos seus clientes a comprobación dun conxunto máis numeroso de marcadores para mellorar a definición da súa xenealoxía xenética, ata o punto que o número de marcadores que se examinan pasou de 12 a 111 nos últimos anos.

É significativamente máis difícil establecer un parentesco plausible entre diferentes apelidos cun minado de datos tomados dunha base de datos. O investigador debe establecer que o membro máis próximo da poboación en cuestión, elixido á mantenta dunha poboación por esa razón, é improbable que coincida por casualidade. Isto é máis que establecer que un membro da poboación seleccionado aleatoriamente é improbable que presente esa coincidencia tan próxima por casualidade. Debido a estas dificultades, establecer o parentesco entre diferentes apelidos nese escenario é probablemente imposible, a non ser en casos especiais nos que hai información específica que permita limitar drasticamente o tamaño da poboación dos cantidatos a considerar.

A diversidade do haplotipo é unha medida de ata que punto é único un determinado haplotipo nunha poboación dada. A diversidade do haplotipo (H) calcúlase así:^[6]
${\displaystyle H={\frac {N}{N-1}}(1-\sum _{i}x_{i}^{2})}$
onde ${\displaystyle x_{i}}$ é a frecuencia de haplotipo (relativa) de cada haplotipo na mostra e ${\displaystyle N}$ é o tamaño de mostra. A diversidade do haplotipo dáse para cada mostra.

O Proxecto HapMap Internacional ten o obxectivo de crear un mapa de haplotipos do xenoma humano. A súa intención era que este mapa tivese acceso público para así facilitar a investigación e o desenvolvemento de fármacos contra diversas doenzas. Participaron científicos do Canadá, a China, o Xapón, Nixeria, o Reino Unido e os Estados Unidos que estudaron mostras de poboación de Yoruba (Nixeria), Toquio (Xapón), Beijín (China) e os Estados Unidos (persoas con devanceiros europeos) con frecuencias de haplotipos dabondo diferentes como para garantir unha análise a grande escala de cada poboación. Comezou oficialmente o 27 de outubro de 2002, e chegou á súa terceira fase en 2009. Todos os datos xerados polo Proxecto, incluídas as frecuencias de SNP, xenotipos e haplotipos, son de acceso público e poden descargarse da rede.

• Estimación do haplotipo
• Proxecto HapMap Internacional
• Haplogrupo
• Y-STR
• Antepasado común máis recente

• FAMHAP Becker T., Knapp M. (2004). "Maximum-likelihood estimation of haplotype frequencies in nuclear families". Genetic Epidemiology 27 (1): 21–32. PMID 15185400. doi:10.1002/gepi.10323.  — FAMHAP é un software para análises dun só marcador e, en particular, análise conxunta de datos de xenotipos que non están en fase a partir de marcadores estreitamente ligados (análise de haplotipo).
• Fugue — Estimación do haplotipo baseada no algoritmo EM e tests de asociación en familias nucleares non relacionadas.
• HPlus Li S.S., Khalid N., Carlson C., Zhao L.P. (2003). "Estimating haplotype frequencies and standard errors for multiple single nucleotide polymorphisms". Biostatistics 4 (4): 513–522. PMID 14557108. doi:10.1093/biostatistics/4.4.513. — Paquete de software para imputación e proba de haplotipos en estudos de asociación que usan un método modificado que incorpora o algoritmo de expectación-maximización (EM) e un método bayesiano chamado ligazón progresiva.
• HaploBlockFinder — Paquete de software para a análise da estrutura de bloques de haplotipo.
• Haploscribe Roach J.C., Glusman G., Hubley R., Montsaroff S.Z., Holloway A.K., Mauldin D.E., Srivastava D., Garg V., Pollard K.S., Galas D.J., Hood L., Smit A.F.A. (2011). "Chromosomal Haplotypes by Genetic Phasing of Human Families". American Journal of Human Genetics 89 (3): 382–397. PMID 21855840. doi:10.1016/j.ajhg.2011.07.023.  — Reconstrución de haplotipos de cromosoma completo baseados en todas as posicións xenotípicas nunha familia nnuclear, incluíndo variantes raras.
• Haploview Barrett J.C., Fry B., Maller J., Daly M.J. (2005). "Haploview: analysis and visualization of LD and haplotype maps". Bioinformatics 21 (2): 263–265. PMID 15297300. doi:10.1093/bioinformatics/bth457.  — Visualización do desequilibrio de ligamento, estimación do haplotipo e etiquetado do haplotipo (Homepage).
• HelixTree — Software de análise do haplotipo - Haplotype Trend Regression (HTR), tests de asociación haplotípica, e estimación da frecuencia de haplotipo utilizando o algoritmo de expectación-maximización (EM) e o método de haplotipo composto (CHM).
• PHASE — A software for haplotype reconstruction, and recombination rate estimation from population data.
• SHAPEIT Delaneau O, Zagury J-F, Marchini J (2013). "Improved whole chromosome phasing for disease and population genetic studies.". Nature Methods 10: 5–6.  — SHAPEIT2, programa para a estimación do haplotipo de xenotipos de SNP en grandes cohortes a través dun cromosoma completo.
• SNPHAP — software baseado no algoritmo EM para estimar a frecuencia de haplotipos en xenotipos que non están en fase.
• WHAP Purcell S., Daly M. J., Sham P. C. (2007). "WHAP: haplotype-based association analysis". Bioinformatics 23 (2): 255–256. PMID 17118959. doi:10.1093/bioinformatics/btl580.  — análise de asociación baseado no haplotipo.

• HaploGroups.com — Comprehensive resource for DNA testing.
• HapMap Arquivado 16 de abril de 2014 en Wayback Machine. — páxina do Proxecto Internacional HapMap.
• Haplotype versus Haplogroup — explicación das diferenzas entre haplogrupo e haplotipo.