Desequilibrio de ligamiento

Qué es el desequilibrio de ligamiento

Para captarlo hay que ir por partes. En una población que se cruza libremente, y una vez transcurridas muchas generaciones, cabría esperar que un alelo cualquiera de un locus se combine con los alelos de otro locus del genoma en las proporciones que dicta la probabilidad. Si un alelo A tiene una frecuencia de 0,6 en el locus 1, y un alelo B tiene una frecuencia de 0,3 en el locus 2, la combinación A-B debería aparecer en el 18 % de los cromosomas (0,6 × 0,3). Cuando la frecuencia observada se aparta de la esperada, hay desequilibrio de ligamiento. La medida clásica es el parámetro D, definido por Lewontin y Kojima en 1960 como D = pAB - pA × pB, es decir, la diferencia entre la frecuencia observada del haplotipo y la que se esperaría bajo independencia.

D depende de las frecuencias alélicas, y por ello los genetistas usan sus formas normalizadas. D' reescala D entre -1 y 1 dividiéndolo por su valor máximo posible dadas las frecuencias, lo que facilita comparar magnitudes entre loci distintos. r² es el coeficiente de correlación al cuadrado entre las variantes, oscila entre 0 y 1 y captura de forma directa la proporción de variación de un locus que puede predecirse a partir del otro. Cada una tiene su terreno preferente: D' se usa en descripción histórica del genoma, r² en estudios de asociación.

Ligamiento no es lo mismo que desequilibrio de ligamiento

La coincidencia terminológica confunde. El ligamiento genético clásico, tal como lo formuló Thomas Hunt Morgan en 1911 con Drosophila, es la tendencia de dos loci físicamente próximos en el mismo cromosoma a heredarse juntos, porque hay menos oportunidades de recombinación entre ellos durante la meiosis. Es un fenómeno familiar, medible dentro de una genealogía. El desequilibrio de ligamiento, en cambio, es un fenómeno poblacional. Se refiere a la asociación estadística entre alelos en el conjunto de la población, no a lo que ocurre en una familia concreta.

Ambos fenómenos están conectados pero no son idénticos. La proximidad física en el cromosoma favorece el desequilibrio de ligamiento, porque el poco número de recombinaciones entre loci cercanos no consigue borrar sus asociaciones ancestrales. Pero puede haber desequilibrio de ligamiento entre loci de cromosomas diferentes (por selección, deriva, migración o estructura de la población) y puede no haberlo entre loci muy próximos si la población es antigua y ha tenido tiempo de recombinar muchas veces.

Factores que lo generan y lo erosionan

Varios mecanismos crean desequilibrio de ligamiento, y otro (la recombinación) lo va borrando con las generaciones. Entre los que lo crean: la aparición reciente de una mutación (que arranca en un fondo genético concreto y arrastra con ella a los alelos vecinos), la mezcla entre poblaciones antes separadas, los cuellos de botella demográficos (fundadores, epidemias, migraciones), la selección natural sobre combinaciones alélicas ventajosas, la meiosis misma en tanto no ha tenido tiempo de deshacer asociaciones, y la endogamia. Cada uno deja una firma característica en el mapa de LD del genoma.

La recombinación erosiona esas asociaciones generación tras generación. En un genoma tan antiguo y con tanto tiempo evolutivo como el humano, esa erosión ha configurado una estructura muy peculiar: bloques de haplotipos donde el LD interno es alto (los alelos van juntos) separados por regiones cortas de intensa recombinación (los hotspots) donde el LD cae bruscamente. Es como si el genoma humano estuviera troceado en piezas de LD alto separadas por costuras donde las piezas se pueden mezclar. Este descubrimiento, formalizado a partir del proyecto HapMap (2003-2010), cambió la forma de diseñar estudios genéticos.

Aplicaciones en genética médica

La consecuencia práctica es enorme. Si dentro de un bloque de haplotipos hay decenas o cientos de variantes que se heredan casi siempre juntas, no hace falta genotipar todas para conocer el estado del bloque: basta con una o pocas variantes representativas (tag SNPs) para inferir las demás. Sobre esta idea se construyeron los estudios de asociación del genoma completo o GWAS (por sus siglas inglesas: Genome-Wide Association Studies), que analizan cientos de miles de polimorfismos repartidos por el genoma en miles de individuos, con casos y controles, buscando variantes asociadas a una enfermedad.

El desequilibrio de ligamiento tiene aquí un doble papel. Por un lado, es lo que hace factibles los GWAS: sin bloques de LD, habría que genotipar cada base del genoma. Por otro lado, es lo que dificulta interpretarlos: cuando un GWAS identifica un SNP asociado con una enfermedad, la señal puede provenir de él o de cualquier otra variante situada en el mismo bloque de LD, y decidir cuál es la causal exige análisis posteriores. Fuera del GWAS, el desequilibrio de ligamiento se usa también en la genética de poblaciones para reconstruir historias demográficas, medir la antigüedad de mutaciones y estudiar procesos de selección.

Diferenciación con conceptos afines

Ligamiento genético. Fenómeno familiar, no poblacional. Se manifiesta como la cotransmisión de dos loci próximos en un mismo cromosoma dentro de una genealogía. Sirvió durante décadas de base a la cartografía genética clásica.

Haplotipo. Combinación concreta de alelos en un mismo cromosoma que se transmite como una unidad. Los bloques de LD son, en último término, grupos de haplotipos frecuentes en la población.

Equilibrio de Hardy-Weinberg. Estado teórico en el que las frecuencias genotípicas se mantienen estables generación tras generación bajo condiciones ideales (población grande, apareamiento aleatorio, sin selección, sin mutación, sin migración). El desequilibrio de ligamiento no se refiere a la desviación del equilibrio de Hardy-Weinberg, sino a la asociación entre alelos de loci distintos.

Asociación estadística causal. Que dos variantes estén en LD no significa que ninguna cause un efecto biológico. Solo significa que aparecen juntas más veces de las esperadas. Distinguir señal causal de mero acompañamiento por LD es uno de los grandes retos del análisis GWAS.

Preguntas frecuentes

¿Qué significa el nombre?

La palabra ligamiento viene del latín ligare (atar) y describe la unión física de loci en un mismo cromosoma. El desequilibrio se refiere a que las combinaciones alélicas no aparecen en las proporciones esperadas bajo apareamiento aleatorio. El término, algo desafortunado (puede haber LD sin ligamiento físico, por ejemplo entre cromosomas distintos), quedó fijado por el uso.

¿Cuándo se formuló?

La primera formulación matemática de la asociación no aleatoria entre alelos se debe a Hilda Geiringer y a Robbins, en los años 1940 y siguientes. La notación moderna, con el parámetro D y su papel en la dinámica de polimorfismos complejos, la establecieron Richard Lewontin y Ken-Ichi Kojima en The evolutionary dynamics of complex polymorphisms, publicado en la revista Evolution en 1960. Los desarrollos posteriores (D', r², bloques de haplotipos) llegaron entre los años 1980 y el proyecto HapMap.

¿Por qué se produce?

Por varias razones que se combinan. La proximidad física de dos loci, la aparición reciente de una mutación en un fondo genético concreto, la mezcla de dos poblaciones antes separadas, cuellos de botella demográficos, selección natural sobre determinadas combinaciones alélicas y endogamia. La recombinación, en cambio, va deshaciendo el LD con las generaciones.

¿Qué papel juega en los estudios GWAS?

Doble. Los hace posibles, porque el LD entre variantes cercanas permite representar bloques enteros con unas pocas variantes seleccionadas y así analizar el genoma completo con un número manejable de mediciones. Y los complica, porque cuando un SNP aparece asociado a una enfermedad, la variante realmente causal puede ser él o cualquier otra dentro del mismo bloque de LD. La fine mapping es la fase posterior que trata de resolver esa ambigüedad.

¿Sirve solo en investigación o tiene aplicación clínica directa?

Ambas cosas. En investigación es la infraestructura estadística de los estudios de asociación y de buena parte de la genética de poblaciones. En clínica se apoya en él la interpretación de los tests genéticos poligénicos, la valoración de los riesgos individuales calculados a partir de polygenic risk scores y el análisis de ancestralidad genética. Su comprensión rigurosa se ha vuelto necesaria para leer con criterio los resultados de la genómica moderna.

Referencias

1. Lewontin RC, Kojima K. The evolutionary dynamics of complex polymorphisms. Evolution. 1960; 14(4): 458-472.
2. Slatkin M. Linkage disequilibrium: understanding the evolutionary past and mapping the medical future. Nature Reviews Genetics. 2008; 9: 477-485.
3. National Cancer Institute (NIH). Dictionary of Genetics Terms: linkage disequilibrium.
4. Real Academia Nacional de Medicina de España. Diccionario de términos médicos.