Введение

Генетический процесс, комплементарная ДНК, генерируемая из РНК посредством обратной транскрипции.

Комплементация – это генетический процесс, при котором два штамма организма с различными гомозиготными рецессивными мутациями, вызывающими один и тот же мутантный фенотип (например, изменение структуры крыльев у мух), при скрещивании или спаривании дают потомство, проявляющее фенотип дикого типа. Обычно комплементация происходит, если мутации находятся в разных генах (межгенная комплементация). Комплементация также может наблюдаться, если две мутации расположены в разных участках одного и того же гена (внутригенная комплементация), однако этот эффект, как правило, слабее, чем при межгенной комплементации. Когда мутации находятся в разных генах, геном каждого штамма предоставляет дикий аллель для "комплементации" мутировавшего аллеля в геноме другого штамма. Поскольку мутации рецессивны, потомство проявляет фенотип дикого типа. Комплементарный тест (иногда называемый "цис-транс" тестом) позволяет определить, находятся ли мутации в двух штаммах в разных генах. Комплементация обычно слабее или отсутствует, если мутации находятся в одном и том же гене. Преимущество и суть этого теста заключаются в возможности отнесения мутаций, вызывающих определенный фенотип, к разным генам без точного знания молекулярной функции продукта этих генов. Американский генетик Эдвард Б. Льюис разработал комплементарный тест.

Пример простого теста на комплементацию

Для простого примера теста на комплементацию, предположим, что генетик заинтересован в изучении двух штаммов белоглазых мух вида Drosophila melanogaster, более известных как обычная плодовая мушка. У этого вида мухи дикий тип имеет красные глаза, и известно, что цвет глаз связан с двумя генами, А и В. Каждый из этих генов имеет два аллеля: доминантный, кодирующий рабочий белок (A и B соответственно), и рецессивный, кодирующий неисправный белок (a и b соответственно). Поскольку оба белка необходимы для синтеза красного пигмента в глазах, если муха гомозиготна по аллелю a или b, у нее будут белые глаза. В генетике тест на комплементацию можно провести для понимания взаимодействия между различными генетическими штаммами. Этот тест часто включает скрещивание двух инбредных штаммов, например, белоглазых мух, из разных популяций. Процесс включает спаривание двух мух, каждая из которых принадлежит к разному штамму. Цвет глаз полученного потомства определяет исход теста. Если у потомства красные глаза, это указывает на то, что два штамма комплементируют друг друга. Напротив, если у потомства белые глаза, это свидетельствует об отсутствии комплементации. Комплементация происходит, когда каждый штамм несет различную гомозиготную мутацию (например, один штамм имеет генотип 'aa BB', а другой 'AA bb'), что приводит к образованию гетерозиготного генотипа ('AaBb') у потомства, проявляющего фенотип, отличный от фенотипов родителей. Отсутствие комплементации наблюдается, когда оба штамма несут одну и ту же гомозиготную мутацию, например, 'aaBB', 'AAbb' или 'aabb', что приводит к потомству с фенотипом, идентичным фенотипу родительских штаммов.

Дополнительные испытания на грибах и бактериофагах

Тесты на комплементацию также могут проводиться с гаплоидными эукариотами, такими как грибы, с бактериями и с вирусами, такими как бактериофаги. Исследования гриба Neurospora crassa привели к разработке концепции «один ген – один фермент», которая заложила основу для последующего развития молекулярной генетики. Тест на комплементацию был одним из основных инструментов, использовавшихся в ранних работах с Neurospora, поскольку его было легко провести, и он позволял исследователю определить, дефектны ли два питательных мутанта в одних и тех же или в разных генах. Тест на комплементацию также использовался на ранних этапах развития молекулярной генетики, когда бактериофаг T4 был одним из основных объектов изучения. В этом случае тест основан на смешанных инфекциях бактериальных клеток-хозяев двумя различными типами мутантных бактериофагов. Его применение было ключевым для определения большинства генов вируса и послужило основой для изучения таких фундаментальных процессов, как репликация и репарация ДНК, а также принципов построения молекулярных машин.

Генетическое дополнение, гетерозис и эволюция полового размножения

Гетерозис – это тенденция гибридных особей превосходить своих чистокровных родителей по размеру и жизнеспособности. Это явление давно известно у животных и растений. Гетерозис, по-видимому, в значительной степени обусловлен генетической комплементацией, то есть маскировкой вредных рецессивных аллелей у гибридов. В целом, двумя фундаментальными аспектами полового размножения у эукариот являются мейоз и ауткроссинг. Предполагается, что каждый из этих аспектов обладает двумя естественными селективными преимуществами. Мейоз считается адаптивным, поскольку он облегчает рекомбинационный ремонт повреждений ДНК, которые трудно исправить иным способом. Ауткроссинг считается адаптивным, поскольку он способствует комплементации, то есть маскировке вредных рецессивных аллелей (см. также Гетерозис). Преимущество маскировки вредных аллелей предположительно является важным фактором, поддерживающим половое размножение у эукариот. Более того, селективное преимущество комплементации, возникающее при ауткроссинге, может во многом объяснять общее избегание инбридинга в природе (например, см. статьи о распознавании родства, депрессии от инбридинга и табу на инцест).

Количественное дополнение

Используется в количественной генетике для выявления рецессивных мутантов. В этом подходе используют делеции и скрещивают их с гаплотипом, который предположительно содержит рецессивный мутант.

Исключения

Эти правила не лишены исключений. Неаллельные мутанты иногда могут не комплементировать друг друга (это известно как "неаллельная некомплементация" или "не сцепленная некомплементация"). Это редкое явление, зависящее от типа исследуемых мутантов. Например, две мутации могут проявлять синтетический доминант-негативный эффект. Трансвекция – еще один пример, когда гетерозиготная комбинация двух аллелей с мутациями в различных участках гена комплементирует друг друга, восстанавливая фенотип дикого типа.

Внутреннее дополнение

Когда измеряется комплементация между двумя мутантами с дефектами в одном и том же гене, как правило, обнаруживается либо отсутствие комплементации, либо комплементарный фенотип, занимающий промежуточное положение между фенотипами мутанта и дикого типа. Внутригенная комплементация (также называемая межаллельной комплементацией) была продемонстрирована во многих различных генах в разнообразных организмах, включая грибы *Neurospora crassa*, *Saccharomyces cerevisiae* и *Schizosaccharomyces pombe*; бактерию *Salmonella typhimurium*; и вирус бактериофаг T4. В ряде таких исследований было выделено множество мутаций с дефектами в одном и том же гене и картировано в линейном порядке на основе частот рекомбинации для построения генетической карты гена. Отдельно мутанты тестировались попарно для измерения комплементации. Анализ результатов этих исследований привел к выводу, что внутригенная комплементация, как правило, возникает в результате взаимодействия различно дефектных полипептидных мономеров с образованием агрегата, называемого «мультимером». Гены, кодирующие полипептиды, формирующие мультимеры, встречаются довольно часто. Одно из возможных объяснений данных заключается в том, что полипептидные мономеры часто выстраиваются в мультимере таким образом, что мутантные полипептиды с дефектами в близлежащих участках генетической карты склонны образовывать смешанный мультимер с низкой функциональной активностью, в то время как мутантные полипептиды с дефектами в отдаленных участках склонны образовывать смешанный мультимер с более высокой функциональной активностью. Межмолекулярные силы, вероятно, ответственные за самораспознавание и формирование мультимеров, были обсуждены Джеле.