Комплементация относится к генетическому процессу , когда два штамма организма с различными гомозиготными рецессивными мутациями , которые производят один и тот же мутантный фенотип (например, изменение структуры крыла у мух), имеют потомство, которое выражает фенотип дикого типа при скрещивании или скрещивании. Комплементация обычно происходит, если мутации находятся в разных генах (межгенная комплементация). Комплементация также может происходить, если две мутации находятся в разных местах внутри одного гена (внутригенная комплементация), но этот эффект обычно слабее, чем у межгенной комплементации. Когда мутации находятся в разных генах, геном каждого штамма поставляет аллель дикого типа для «дополнения» мутировавшего аллеля генома другого штамма. Поскольку мутации рецессивны, потомство будет демонстрировать фенотип дикого типа. Тест на комплементацию (иногда называемый тестом « цис-транс ») может проверить, находятся ли мутации в двух штаммах в разных генах. Комплементация обычно слабее или отсутствует, если мутации находятся в одном и том же гене. Удобство и суть этого теста в том, что мутации, которые производят фенотип, могут быть назначены разным генам без точного знания того, что делает продукт гена на молекулярном уровне. Американский генетик Эдвард Б. Льюис разработал тест на комплементацию.
Для простого примера теста на комплементарность предположим, что генетик заинтересован в изучении двух штаммов белоглазых мух вида Drosophila melanogaster , более известных как обыкновенная плодовая мушка. У этого вида мухи дикого типа имеют красные глаза, и известно, что цвет глаз связан с двумя генами, A и B. Каждый из этих генов имеет два аллеля, доминантный , который кодирует работающий белок ( A и B соответственно), и рецессивный , который кодирует неисправный белок ( a и b соответственно). Поскольку оба белка необходимы для синтеза красной пигментации в глазах, если данная муха гомозиготна либо по a, либо по b , у нее будут белые глаза.
В генетике можно провести тест на комплементарность, чтобы понять взаимодействие между различными генетическими штаммами. Этот тест часто включает скрещивание двух чистопородных штаммов, таких как белоглазые мухи, от разных источников. Процесс подразумевает спаривание двух мух, каждая из которых принадлежит к разным штаммам. Цвет глаз полученного потомства определяет результат теста. Если у потомства красные глаза, это указывает на то, что два штамма дополняют друг друга. И наоборот, если у потомства белые глаза, это говорит об отсутствии комплементарности.
Комплементация происходит, когда каждый штамм обладает различной гомозиготной мутацией (например, один штамм имеет генотип 'aa BB', а другой 'AA bb'), что приводит к гетерозиготному генотипу ('AaBb') в потомстве, которое производит другой фенотип от родителей. Некомплементация наблюдается, когда оба штамма разделяют одну и ту же гомозиготную мутацию, такую как 'aaBB', 'AAbb' или 'aabb', что приводит к потомству с фенотипом, идентичным родительским штаммам.
Тесты на комплементацию также можно проводить с гаплоидными эукариотами , такими как грибы , с бактериями и с вирусами, такими как бактериофаги . [1] Исследования грибка Neurospora crassa привели к разработке концепции «один ген — один фермент», которая легла в основу последующего развития молекулярной генетики. [2] [3] Тест на комплементацию был одним из основных инструментов, используемых в ранних работах по Neurospora, поскольку его было легко проводить, и он позволял исследователю определить, были ли какие-либо два пищевых мутанта дефектными в одном и том же или разных генах.
Тест на комплементацию также использовался на раннем этапе развития молекулярной генетики, когда одним из основных объектов исследования был бактериофаг Т4. [4] В этом случае тест зависит от смешанных инфекций клеток бактерий-хозяев двумя различными типами мутантов бактериофагов. Его использование стало ключом к определению большинства генов вируса и заложило основу для изучения таких фундаментальных процессов, как репликация и репарация ДНК, а также того, как устроены молекулярные машины .
Гетерозис — это тенденция гибридных особей превосходить своих чистокровных родителей по размеру и силе. Это явление давно известно у животных и растений. Гетерозис, по-видимому, в значительной степени обусловлен генетической комплементарностью, то есть маскировкой вредных рецессивных аллелей у гибридных особей.
В целом, два основных аспекта полового размножения у эукариот — это мейоз и ауткроссинг . Было предложено, что эти два аспекта имеют два естественных селективных преимущества соответственно. Мейоз предлагается считать адаптивным, поскольку он облегчает рекомбинационную репарацию повреждений ДНК , которые в противном случае трудно исправить. Ауткроссинг предлагается считать адаптивным, поскольку он облегчает комплементацию, то есть маскировку вредных рецессивных аллелей [5] (см. также гетерозис ). Было предложено, что преимущество маскировки вредных аллелей является основным фактором в поддержании полового размножения у эукариот. Кроме того, селективное преимущество комплементации, которое возникает в результате ауткроссинга, может в значительной степени объяснять общее избегание инбридинга в природе (например, см. статьи распознавание родства , депрессия инбридинга и табу на инцест ). [6]
Используется количественной генетикой для обнаружения рецессивных мутантов. Здесь берутся дефекты и скрещиваются с гаплотипом, который, как полагают, содержит рецессивный мутант.
Эти правила (шаблоны) не без исключений. Неаллельные мутанты могут иногда не комплементировать (это известно как «неаллельная некомплементация» или «несвязанная некомплементация»). Это редкое явление, которое зависит от типа исследуемых мутантов. Например, две мутации могут быть синтетически доминантно-отрицательными . Трансвекция — это еще один пример, в котором гетерозиготная комбинация двух аллелей с мутациями в различных участках гена комплементирует друг друга, восстанавливая фенотип дикого типа. [7]
При измерении комплементации между двумя мутантами, дефектными в одном и том же гене, обычно обнаруживается, что комплементации нет или фенотип комплементации является промежуточным между фенотипами мутанта и дикого типа. Внутригенная комплементация (также называемая межаллельной комплементарностью) была продемонстрирована во многих различных генах у различных организмов, включая грибы Neurospora crassa , Saccharomyces cerevisiae и Schizosaccharomyces pombe ; бактерию Salmonella typhimurium ; и вирусный бактериофаг T4 . [8] В нескольких таких исследованиях многочисленные мутации , дефектные в одном и том же гене, были изолированы и картированы в линейном порядке на основе частот рекомбинации для формирования генетической карты гена. Отдельно мутанты были протестированы в парных комбинациях для измерения комплементации. Анализ результатов таких исследований привел к выводу, что внутригенная комплементация, в общем, возникает из взаимодействия по-разному дефектных полипептидных мономеров с образованием агрегата, называемого «мультимером». [9] Гены, которые кодируют полипептиды, образующие мультимеры, по-видимому, распространены. Одна из интерпретаций данных заключается в том, что полипептидные мономеры часто выровнены в мультимере таким образом, что мутантные полипептиды, дефектные в близлежащих участках генетической карты, как правило, образуют смешанный мультимер, который функционирует плохо, тогда как мутантные полипептиды, дефектные в отдаленных участках, как правило, образуют смешанный мультимер, который функционирует более эффективно. Межмолекулярные силы, вероятно, ответственные за самораспознавание и образование мультимера, обсуждались Йеле. [10]
