Viele genetische Forschungsprogramme werden durchgeführt, um zu versuchen, die Gene zu verstehen, die zu einem bestimmten biologischen Prozess beitragen. Eine solche Analyse beginnt mit einer Sammlung von verwandten mutierten Phänotypen, die sich auf diesen bestimmten Prozess konzentrieren. Interessiert sich ein Genetiker beispielsweise für die Gene, die für die Fortbewegung eines Fadenwurms verantwortlich sind, beginnt die genetische Analyse mit der Isolierung einer Reihe verschiedener Mutanten, deren Fortbewegung gestört ist. Eine wichtige Aufgabe besteht darin, festzustellen, wie viele verschiedene Gene durch die Mutationen vertreten sind, die die entsprechenden Phänotypen bestimmen, denn diese Zahl definiert die Menge der Gene, die den untersuchten Prozess beeinflussen. Daher ist ein Test erforderlich, um festzustellen, ob die Mutationen Allele eines Gens oder verschiedener Gene sind. Der am weitesten verbreitete Allelismus-Test ist der Komplementationstest, der im folgenden Beispiel erläutert wird.

Betrachten wir eine Hasenglöckchenart (Campanula), bei der die Farbe der Wildblume blau ist. Nehmen wir an, dass wir durch Anwendung mutagener Strahlung drei weißblättrige Mutanten erzeugt haben und dass sie als homozygote Reinzuchtstämme vorliegen. Wir können die Mutantenstämme $, £ und ¥ nennen, wobei wir Währungssymbole verwenden, um unsere Überlegungen zur Dominanz nicht zu beeinträchtigen. Bei der Kreuzung mit dem Wildtyp führt jede Mutante zu den gleichen Ergebnissen in der F1 und F2, und zwar wie folgt:

In jedem Fall zeigen die Ergebnisse, dass die Mutationsbedingung durch ein Allel eines einzigen Gens bestimmt wird. Handelt es sich aber um drei Allele eines Gens oder um zwei oder drei Gene? Die Frage lässt sich wie folgt beantworten:

(Der Nachweis der rezessiven Natur einzelner Mutanten ist ein entscheidendes Ergebnis, das es uns ermöglicht, mit einem Komplementationstest fortzufahren. Dominante Mutationen können in einem Komplementationstest nicht verwendet werden.)

In einem diploiden Organismus wird der Komplementationstest durchgeführt, indem jeweils zwei rezessive Mutanten miteinander gekreuzt werden. Im nächsten Schritt wird beobachtet, ob die Nachkommen den Wildtyp-Phänotyp aufweisen.

Damit werden die beiden Mutationen als haploide Keimzellen zu einem diploiden Kern in einer Zelle (der Zygote) vereinigt. Handelt es sich bei rezessiven Mutationen um Allele desselben Gens, so komplementieren sie sich nicht, da beide Mutationen eine verlorene Genfunktion darstellen. Solche Allele kann man sich allgemein als a′ und a′ vorstellen, indem man Primzahlen verwendet, um zwischen zwei verschiedenen mutierten Allelen eines Gens zu unterscheiden, dessen Allel vom Wildtyp a+ ist. Diese Allele könnten unterschiedliche Mutationsstellen haben, wären aber funktionell identisch (d. h. beide nicht funktionsfähig). Der Heterozygote a′/a′ wäre:

Zwei rezessive Mutationen in verschiedenen Genen hätten jedoch eine Wildtyp-Funktion, die von den jeweiligen Wildtyp-Allelen bereitgestellt würde. Hier können wir die Geneesa1 und a2 nach ihren mutierten Allelen benennen. Wir können die Heterozygoten wie folgt darstellen, je nachdem, ob die Gene auf demselben oder auf verschiedenen Chromosomen liegen:

Kehren wir zum Hasenglöckchen-Beispiel zurück und kreuzen die Mutanten, um die Mutationssymbole zu vereinen und auf Komplementation zu testen. Wir können annehmen, dass die Ergebnisse der Kreuzung der Mutanten $, £ und ¥ wie folgt sind:

Aus dieser Reihe von Ergebnissen können wir schließen, dass die Mutanten $ und £ durch Allele eines Gens (z.B. w1) verursacht werden müssen, weil sie nicht komplementär sind; ¥ muss jedoch durch ein mutiertes Allel eines anderen Gens (w2) verursacht werden.

Die molekulare Erklärung für solche Ergebnisse steht oft in Zusammenhang mit biochemischen Wegen in der Zelle. Wie funktioniert die Komplementierung auf molekularer Ebene? Obwohl die Konvention besagt, dass es die Mutanten sind, die komplementieren, sind die Wirkstoffe der Komplementierung die Proteine, die von den Wildtyp-Allelen produziert werden. Die normale blaue Farbe der Blüte wird durch ein blaues Pigment namens Anthocyanin hervorgerufen. Pigmente sind chemische Stoffe, die bestimmte Teile des sichtbaren Spektrums absorbieren; in der Hasenglöckchenblüte absorbiert das Anthocyanin alle Wellenlängen außer Blau, das ins Auge des Betrachters reflektiert wird. Dieses Anthocyan wird jedoch aus chemischen Vorläufern hergestellt, die keine Pigmente sind, d. h. sie absorbieren kein Licht einer bestimmten Wellenlänge und reflektieren lediglich das weiße Licht der Sonne zum Betrachter zurück, wodurch sie weiß erscheinen. Das blaue Pigment ist das Endprodukt einer Reihe von biochemischen Umwandlungen von Nicht-Pigmenten. Jeder Schritt wird von einem bestimmten Enzym katalysiert, das von einem bestimmten Gen kodiert wird. Wir können die Ergebnisse mit einem Weg wie folgt in Einklang bringen:

Eine Mutation in einem der Gene im homozygoten Zustand führt zur Anhäufung einer Vorstufe, die die Pflanze einfach weiß macht. Die Mutationsbezeichnungen könnten nun wie folgt geschrieben werden:

In der Praxis würde man jedoch die tiefgestellten Symbole weglassen und die Genotypen wie folgt schreiben:

Daraus ergibt sich eine F1 aus $ × £:

, die zwei defekte Allele für w1 hat und daher in Schritt 1 blockiert wird. Obwohl Enzym 2 voll funktionsfähig ist, hat es kein Substrat, auf das es einwirken kann, so dass kein blaues Pigment gebildet wird und der Phänotyp weiß ist.

Die F1 aus den anderen Kreuzungen haben jedoch die Wildtyp-Allele für beide Enzyme, die für die Umwandlungen zum blauen Endprodukt benötigt werden.Ihre Genotypen werden sein:

Hier sehen wir den Grund, warum die Komplementierung tatsächlich ein Ergebnis der kooperativen Interaktion der Wildtyp-Allele der beiden Gene ist. Abbildung 4-1 ist ein zusammenfassendes Diagramm der Interaktion der komplementären und nicht komplementären weißen Mutanten.

In einem haploiden Organismus kann der Komplementationstest nicht durch Kreuzung durchgeführt werden.Bei Pilzen besteht eine alternative Möglichkeit, die Komplementation zu testen, darin, ein Heterokaryon herzustellen (Abbildung 4-2). Pilzzellen fusionieren leicht, und wenn zwei verschiedene Stämme fusionieren, besetzen die haploiden Kerne der verschiedenen Stämme eine Zelle, die als Heterokaryon (griechisch: verschiedene Kerne) bezeichnet wird. Die Kerne in einem Heterokaryon verschmelzen im Allgemeinen nicht. In gewissem Sinne ist dieser Zustand ein “mimisches” Diploid. Nehmen wir an, dass es in verschiedenen Stämmen Mutationen in zwei verschiedenen Genen gibt, die denselben mutierten Phänotyp hervorrufen – zum Beispiel den Bedarf an Arginin. Die beiden Stämme, deren Genotypen alsarg-1 – arg-2+undarg-1+ – arg-2 dargestellt werden können, können zu einem Heterokaryon mit zwei Kernen in einem gemeinsamen Zytoplasma fusioniert werden:

Da die Genexpression in einem gemeinsamen Zytoplasma stattfindet, können die beiden Wildtyp-Allele ihre dominante Wirkung ausüben und zusammenwirken, um ein Heterokaryon vom Wildtyp-Phänotyp zu erzeugen. Mit anderen Worten, die beiden Mutationen ergänzen sich, genau wie beim Adiploid. Wären die Mutationen Allele desselben Gens gewesen, hätte es keine Komplementierung gegeben.