Molti programmi di ricerca genetica sono intrapresi per cercare di capire i geni che contribuiscono a un particolare processo biologico. Tale analisi inizia con una raccolta di fenotipi mutanti correlati centrati su quel particolare processo. Per esempio, se un genetista fosse interessato ai geni che determinano la locomozione in un verme anematode, la dissezione genetica inizierebbe isolando una serie di mutanti diversi con locomozione difettosa. Un compito importante è determinare quanti geni diversi sono rappresentati dalle mutazioni che determinano i relativi fenotipi, perché questo numero definisce l’insieme dei geni che influenzano il processo in studio. Quindi è necessario avere un test per scoprire se le mutazioni sono alleli di un gene o di geni diversi. Il test di allelismo che ha la più ampia applicazione è il test di complementazione, illustrato nell’esempio seguente.

Consideriamo una specie di campanula (Campanula) in cui il colore del fiore selvatico è blu. Supponiamo che, applicando le radiazioni mutagene, abbiamo indotto tre mutanti a fiore bianco e che siano disponibili come ceppi omozigoti. Possiamo chiamare i ceppi mutanti $, £, e ¥, utilizzando currencysymbols in modo da non pregiudicare il nostro pensiero riguardante la dominanza. Quando incrociati con il tipo selvatico, ogni mutante dà gli stessi risultati nella F1 e F2, come segue:

In ogni caso, i risultati mostrano che la condizione mutante è determinata dall’allele necessario di un singolo gene. Ma si tratta di tre alleli di un solo gene o di due o tre geni? Alla domanda si può rispondere chiedendo se i mutanti si completano a vicenda. ed è così:

(La dimostrazione della natura recessiva dei singoli mutanti è un risultato cruciale che ci permette di procedere con un test di complementazione. Le mutazioni dominanti non possono essere utilizzate in un test di complementazione.)

In un organismo diploide, il test di complementazione viene eseguito incrociando mutanti omozigoti recessivi due alla volta. Il passo successivo è quello di osservare se la prole ha il fenotipo wild-type.

Questo unisce le due mutazioni come gameti aploidi per formare un nucleo diploide in una cellula (lo zigote). Se le mutazioni recessive rappresentano alleli dello stesso gene, non saranno complementari, perché entrambe le mutazioni rappresentano una funzione genica persa. Tali alleli possono essere pensati generalmente come a′ e a′, utilizzando i primati per distinguere tra due diversi alleli mutanti di un gene il cui allele wild-type è a+. Questi alleli potrebbero avere siti mutanti diversi, ma sarebbero funzionalmente identici (cioè, entrambi non funzionali). L’eterozigote a′/a′ sarebbe:

Tuttavia, due mutazioni recessive in geni diversi avrebbero la funzione wild-type fornita dai rispettivi alleli wild-type. Qui possiamo chiamare i geniesa1 e a2, dopo i loro alleli mutanti. Possiamo rappresentare gli eterozigoti come segue, a seconda che i geni si trovino sullo stesso cromosoma o su cromosomi diversi:

Torniamo all’esempio del campanellino e incrociamo i mutanti per unire gli alleli mutanti e verificare la complementazione. Possiamo assumere che i risultati dell’incrocio dei mutanti $, £ e ¥ siano i seguenti:

Da questa serie di risultati, possiamo concludere che i mutanti $ e £ devono essere causati da alleli di un gene (diciamo, w1) perché non si completano; ma ¥ deve essere causato da un allele mutante di un altro gene (w2).

La spiegazione molecolare di tali risultati è spesso in relazione alle vie biochimiche nella cellula. Come funziona la complementazione a livello molecolare? Anche se la convenzione è dire che sono i mutanti che completano, infatti, gli agenti attivi nella complementazione sono le proteine prodotte dagli alleli wild-type. Il normale colore blu del fiore è causato da un pigmento blu chiamato antocianina. I pigmenti sono sostanze chimiche che assorbono determinate parti dello spettro visibile; nel campanellino, l’antocianina assorbe tutte le lunghezze d’onda tranne il blu, che viene riflesso nell’occhio dell’osservatore. Tuttavia, questa antocianina è fatta da precursori chimici che non sono pigmenti; cioè, non assorbono la luce di qualsiasi lunghezza d’onda specifica e semplicemente riflettono la luce bianca del sole all’osservatore, dando un aspetto bianco. Il pigmento blu è il prodotto finale di una serie di conversioni biochimiche di non pigmenti. Ogni passo è catalizzato da un enzima specifico codificato da un gene specifico. Possiamo accomodare i risultati con un percorso come segue:

Una mutazione in uno dei due geni in condizione omozigote porterà all’accumulo di un precursore che renderà semplicemente bianca la pianta. Ora le designazioni mutanti potrebbero essere scritte come segue:

Tuttavia, in pratica, i simboli di pedice verrebbero abbandonati e i genotipi scritti come segue:

Quindi un F1 da $ × £ sarà:

che avrà due alleli difettosi per w1 e sarà quindi bloccato al passo 1. Anche se l’enzima 2 è pienamente funzionale, non ha alcun substrato su cui agire, quindi nessun pigmento blu sarà prodotto e il fenotipo sarà bianco.

Gli F1 degli altri incroci, tuttavia, avranno gli alleli wild-type per entrambi gli enzimi necessari per portare le interconversioni al prodotto blu finale.I loro genotipi saranno:

Quindi vediamo la ragione per cui la complementazione è in realtà il risultato dell’interazione cooperativa degli alleli wild-type dei due geni. La figura 4-1 è un diagramma riassuntivo dell’interazione dei mutanti bianchi complementari e non complementari.

In un organismo aploide, il test di complementazione non può essere eseguito tramite intercrossing.In funghi, un modo alternativo per testare la complementazione è quello di fare un eterocario (Figura 4-2). Le cellule fungine si fondono facilmente e, quando due ceppi diversi si fondono, i nuclei aploidi dei diversi ceppi occupano una sola cellula, che è chiamata eterocario (in greco: chicchi diversi). I nuclei in un eterocario generalmente non si fondono. In un certo senso, questa condizione è un diploide “mimico”. Supponiamo che, in ceppi diversi, ci siano mutazioni in due diversi geni che conferiscono lo stesso fenotipo mutante – per esempio, il requisito di arginina. Possiamo chiamare questi geniarg-1 e arg-2. I due ceppi, i cui genotipi possono essere rappresentati comearg-1 – arg-2+earg-1+ – arg-2, possono essere fusi per formare un eterocario con i due nuclei in un citoplasma comune:

Perché l’espressione genica avviene in un citoplasma comune, i due alleli wild-type possono esercitare il loro effetto dominante e cooperare per produrre un eterocario di tipo selvatico. In altre parole, le due mutazioni si completano, proprio come farebbero nell’adiploide. Se le mutazioni fossero state alleli dello stesso gene, non ci sarebbe stata alcuna complementazione.