Aplotipo

L'aplotipo (dal greco ἁπλόος o ἁπλοῦς haplóos, "singolo", "semplice") è un insieme di varianti alleliche presenti lungo un cromosoma o un suo segmento, che tendono a essere ereditate insieme^[1][2]. In un'altra definizione, l'aplotipo rappresenta un gruppo di marcatori genetici situati su un singolo cromosoma e trasmessi come unità; tali marcatori possono consistere in un gruppo di varianti alleliche, in sequenze a ripetizione corta (STR)^{[A 1]} o in polimorfismi a singolo nucleotide (SNP)^{[A 2][3]}.

Aplotipi dal confronto degli SNP di 4 persone in una regione dello stesso cromosoma. Derivato da: https://www.nature.com/articles/nature02168

Descrizione

L'associazione statistica tra loci si manifesta quando non avviene ricombinazione tra di essi. Negli autòsomi (i cromosomi non sessuali) e nelle regioni pseudoautosomiche dei cromosomi sessuali, tale fenomeno è generalmente dovuto alla prossimità fisica dei loci e all'assenza di hot spot di ricombinazione. Al contrario, gli alleli della regione non ricombinante del cromosoma Y (NRY) e quelli del DNA mitocondriale (mtDNA) sono sempre associati a formare aplotipi, poiché queste due porzioni del genoma non ricombinano e vengono trasmesse uniparentalmente: per via paterna nel caso del cromosoma Y e materna per il mitocondriale.

In sistemi aploidi non ricombinanti, il numero di aplotipi distinti è pari a 1 + n, dove n rappresenta il numero di siti biallelici considerati; nei sistemi diploidi ricombinanti, invece, il numero di combinazioni possibili è n².

Gli aplotipi differenti si originano da un aplotipo ancestrale per effetto di mutazioni nei singoli loci. Le relazioni tra gli aplotipi possono essere ricostruite filogeneticamente, consentendo di risalire alla forma ancestrale e di raggruppare aplotipi affini in aplogruppi, ossia insiemi di aplotipi derivati da un progenitore comune.

Prima dell'avvento della biologia molecolare, lo studio delle associazioni tra geni era utilizzato per determinare la distanza genetica tra due loci su un cromosoma, espressa in percentuale di ricombinazione. L'unità di misura, il centimorgan, prende nome dal genetista Thomas Hunt Morgan.

Uso in immunologia

Il termine "aplotipo" è impiegato anche in immunologia per indicare un gruppo di geni situati sullo stesso cromosoma che codificano per antigeni del sangue o dei tessuti. Tra i primi sistemi di classificazione basati sugli aplotipi vi fu il sistema Rhesus (1947). Il modello più noto è quello dell'antigene leucocitario umano (HLA, Human Leukocyte Antigen), il quale svolge un ruolo essenziale nella risposta immunitaria. Numerose malattie genetiche sono associate ad anomalie dei geni HLA. Ad esempio, nel sistema sanguigno MNS, i geni che codificano per le glicoforine A (GPA) e B (GPB) hanno rispettivamente due alleli (M/N e s/S), generando quattro aplotipi possibili: MS, Ms, NS e Ns. Un individuo con genotipo MS/Ns (fenotipo MNSs), sposato con una donna omozigote MS/MS (fenotipo MMSS), trasmetterà ai figli solo gli aplotipi MS (materni) e MS o Ns (paterni), ma non Ms o NS. La frequenza di queste combinazioni nelle famiglie consente di stimare la distanza genetica tra i geni.

		Aplotipi materni
		MS	MS
Aplotipi paterni	MS	MS /MS	MS /MS
	Ns	MS / Ns	MS / Ns

Aplotipi e polimorfismi

In un secondo senso, l'aplotipo può essere definito come un insieme di SNPs su un unico cromosoma che risultano statisticamente associati. Identificare due alleli di un aplotipo permette spesso di prevedere gli altri siti polimorfici nella stessa regione. Queste informazioni sono fondamentali per lo studio genetico delle malattie complesse e sono state ampiamente analizzate nel Progetto Internazionale HapMap^[4].

In senso più generale, un aplotipo rappresenta il genotipo di un singolo cromosoma o di un suo aplogruppo, e viene sempre più considerato come la nuova unità funzionale del genoma.

Molte società che effettuano test genetici usano il termine "aplotipo" per indicare varianti STR in un determinato segmento, mentre riservano "aplogruppo" alle mutazioni uniche (Unique Event Polymorphisms, UEP) che definiscono i cluster genetici di appartenenza^[5].

Applicazioni della tipizzazione aplotipica

• L'analisi degli aplotipi in linkage disequilibrium costituisce uno strumento fondamentale per la mappatura genetica ad alta risoluzione.
• Gruppi di aplotipi imparentati formano aplogruppi, particolarmente significativi per lo studio della filogenesi, della tassonomia e dell'evoluzione (ad es. nel cromosoma Y e nel mtDNA).
• La conoscenza degli aplotipi HLA è cruciale in immunogenetica, per la compatibilità nei trapianti e per la valutazione della predisposizione genetica a patologie autoimmuni (es. diabete, celiachia). La predisposizione alla celiachia, ad esempio, può essere diagnosticata cercando specifici aplotipi (HLA-DQ2 e HLA-DQ8). Un test genetico negativo consente di escludere nel 95% dei casi la possibilità di sviluppare la malattia, mentre un risultato positivo richiede ulteriori indagini, come la biopsia intestinale.

Risoluzione di un aplotipo

Il genotipo di un individuo non sempre definisce univocamente il suo aplotipo. In un organismo diploide con due loci biallelici (A/T e G/C), esistono nove combinazioni genotipiche possibili. Quando l'individuo è eterozigote per entrambi i loci, la fase gametica diventa ambigua. L'unico modo per risolvere tale ambiguità è il sequenziamento diretto; tuttavia, è possibile stimare la probabilità di ciascun aplotipo mediante analisi di popolazione.

	AA	AT	TT
GG	AG AG	AG TG	TG TG
GC	AG AC	AG TC or AC TG	TG TC
CC	AC AC	AC TC	TC TC

Diversi metodi computazionali consentono di dedurre gli aplotipi noti i genotipi, basandosi sulla frequenza e sulla parsimonia delle combinazioni. Questi approcci si fondano su modelli come l'equilibrio di Hardy-Weinberg, la teoria della coalescenza o la filogenesi perfetta, e impiegano algoritmi di ottimizzazione quali Expectation-Maximization (EM), Markov Chain Monte Carlo (MCMC) o modelli nascosti di Markov (HMM).

Un approccio sperimentale alternativo è l'aplotipizzazione microfluidica dell'intero genoma, che prevede la separazione fisica dei singoli cromosomi di una cellula in metafase e la risoluzione diretta degli aplotipi per ciascun allele.

Aplotipi Y-DNA e test genealogici

A differenza degli altri cromosomi, il cromosoma Y è presente in una sola copia nei maschi e non subisce ricombinazione. Pertanto, l'aplotipo del cromosoma Y-DNA viene trasmesso intatto da padre a figlio, salvo rare mutazioni, costituendo una sorta di "firma genetica" paterna.

Risultati UEP (SNP)

I polimorfismi a singolo evento (Unique Event Polymorphisms, UEP), come gli SNP, definiscono gli aplogruppi Y-DNA. Tali marcatori, che si ritiene siano comparsi una sola volta nella storia evolutiva, permettono di collocare un individuo in un determinato ramo dell'albero genealogico dell'umanità. Gli aplogruppi Y-DNA corrispondono spesso a specifiche popolazioni geografiche, riflettendo migrazioni antiche e distribuzioni ancestrali.

Aplotipi Y-STR

Le ripetizioni corte in tandem (Y-STR), invece, mutano con maggiore frequenza e consentono di ricostruire relazioni genealogiche recenti. Gli individui che condividono un insieme simile di Y-STR appartengono a un cluster aplotipico, con un centro comune detto aplotipo modale. La diversità dell'aplotipo aumenta con la distanza temporale dall'antenato comune: una bassa diversità suggerisce una discendenza recente o un'espansione demografica recente, mentre un'elevata diversità indica un'origine più antica. A differenza degli UEP, due individui con aplotipi Y-STR simili non necessariamente condividono un antenato prossimo, poiché tali configurazioni possono essersi evolute indipendentemente.