Veel genetische onderzoeksprogramma’s worden ondernomen om te proberen de genen te begrijpen die bijdragen tot één bepaald biologisch proces. Een dergelijke analyse begint met een verzameling van verwante gemuteerde fenotypen die op dat bepaalde proces zijn gericht. Als een geneticus bijvoorbeeld geïnteresseerd zou zijn in de genen die de voortbeweging van een aaltjesworm bepalen, zou de genetische dissectie beginnen met het isoleren van een reeks verschillende mutanten met een defecte voortbeweging. Een belangrijke taak is te bepalen hoeveel verschillende genen vertegenwoordigd zijn door de mutaties die de verwante fenotypes bepalen, omdat dit aantal de reeks genen bepaalt die van invloed zijn op het te bestuderen proces. Daarom is er een test nodig om na te gaan of de mutaties allelen van één gen of van verschillende genen zijn. De allelisme-test met de breedste toepassing is de complementatietest, die in het volgende voorbeeld wordt geïllustreerd.

Neem een soort haasjeskruid (Campanula) in aanmerking waarvan de kleur van de wilde bloem blauw is. Laten we aannemen dat we, door toepassing van mutagene straling, drie wit-bloemige mutanten hebben geïnduceerd en dat deze beschikbaar zijn als homozygootzuivere kweekstammen. We kunnen de mutantstammen $, £, en ¥ noemen, waarbij we gebruik maken van valuta-symbolen om ons denken over dominantie niet te beïnvloeden. Bij kruising met het wildtype geeft elke mutant dezelfde resultaten in de F1 en de F2, en wel als volgt:

In elk van de gevallen blijkt uit de resultaten dat de mutantconditie wordt bepaald door het dominante allel van één gen. Maar zijn het drie allelen van één gen? Of van twee of drie genen? De vraag kan worden beantwoord door te vragen of de mutanten elkaar aanvullen. ed als volgt:

(Het aantonen van het recessieve karakter van individuele mutaties is een cruciaal resultaat dat ons in staat stelt verder te gaan met een complementatietest. Dominante mutaties kunnen bij een complementatietest niet worden gebruikt.)

In een diploïd organisme wordt de complementatietest uitgevoerd door twee recessieve mutanten tegelijk met elkaar te kruisen. Vervolgens wordt nagegaan of de nakomelingen het wildtype fenotype hebben.

Daarbij worden de twee mutaties als haploïde gameten samengevoegd tot een diploïde kern in één cel (de zygote). Als recessieve mutaties allelen van hetzelfde gen zijn, zullen zij elkaar niet aanvullen, omdat beide mutaties een verloren genfunctie vertegenwoordigen. Dergelijke allelen kunnen in het algemeen worden beschouwd als a′ en a′, door priemgetallen te gebruiken om onderscheid te maken tussen twee verschillende gemuteerde allelen van een gen waarvan het natuurlijke allel a+ is. Deze allelen kunnen verschillende mutantplaatsen hebben, maar ze zouden functioneel identiek zijn (d.w.z. allebei niet-functioneel). De heterozygoot a′/a′ zou zijn:

Twee recessieve mutaties in verschillende genen zouden echter een wild-type functie hebben, die door de respectieve wild-type allelen wordt geleverd. Hier kunnen we de genenesa1 en a2 noemen, naar hun gemuteerde allelen. We kunnen de heterozygoten als volgt voorstellen, afhankelijk van of de genen op dezelfde of verschillende chromosomen liggen:

Keren we terug naar het voorbeeld van de haasjesbel en kruisen we de mutanten in om de mutante allelen te verenigen en te testen op complementatie. We kunnen aannemen dat de resultaten van het inkruisen van de mutanten $, £, en ¥ als volgt zijn:

Uit deze reeks resultaten kunnen we concluderen dat de mutanten $ en £ veroorzaakt moeten zijn door allelen van één gen (zeg, w1) omdat ze niet complementeren; maar ¥ moet veroorzaakt zijn door een mutant allel van een ander gen (w2).

De moleculaire verklaring van dergelijke resultaten heeft vaak te maken met biochemische paden in de cel. Hoe werkt complementatie op moleculair niveau? Hoewel het gebruikelijk is te zeggen dat het de mutanten zijn die complementeren, zijn de actieve stoffen bij complementatie in feite de eiwitten die worden geproduceerd door de allelen van het wilde type. De normale blauwe kleur van de bloem wordt veroorzaakt door een blauw pigment dat anthocyanine heet. Pigmenten zijn chemische stoffen die bepaalde delen van het zichtbare spectrum absorberen; in de haasjesbel absorbeert de anthocyanine alle golflengten behalve blauw, dat in het oog van de waarnemer wordt weerkaatst. Dit anthocyanine wordt echter gemaakt van chemische precursors die geen pigmenten zijn; dat wil zeggen dat zij geen licht van een specifieke golflengte absorberen en alleen het witte licht van de zon terugkaatsen naar de waarnemer, waardoor het er wit uitziet. Het blauwe pigment is het eindproduct van een reeks biochemische omzettingen van niet-pigmenten. Elke stap wordt gekatalyseerd door een specifiek enzym dat door een specifiek gen wordt gecodeerd. We kunnen de resultaten onderbrengen in een route als volgt:

Een mutatie in een van beide genen in homozygote toestand zal leiden tot de accumulatie van een precursor die de plant gewoon wit zal maken. Nu zouden de mutatie-aanduidingen als volgt kunnen worden geschreven:

In de praktijk zouden de subscript-symbolen echter worden weggelaten en de genotypen als volgt worden geschreven:

Dus een F1 van $ × £ zal zijn:

die twee defecte allelen voor w1 zal hebben en daarom bij stap 1 zal worden geblokkeerd. Hoewel enzym 2 volledig functioneel is, heeft het geen substraat waarop het kan werken, zodat er geen blauw pigment wordt geproduceerd en het fenotype wit blijft.

De F1’s van de andere kruisingen hebben echter de wild-type allelen voor beide enzymen die nodig zijn voor de omzettingen naar het uiteindelijke blauwe product.Hun genotypen zullen zijn:

Hiermee zien we de reden waarom complementatie eigenlijk het resultaat is van de coöperatieveinteractie van de wild-type allelen van de twee genen. Figuur 4-1 is een samenvattend schema van de interactie tussen de complementerende en niet-complementerende witte mutanten.

In een haploïd organisme kan de complementatietest niet door uitkruisen worden uitgevoerd.Bij schimmels is een alternatieve manier om complementatie te testen het maken van een heterokaryon (figuur 4-2). Schimmelcellen versmelten gemakkelijk en wanneer twee verschillende stammen versmelten, nemen de haploïde kernen van de verschillende stammen één cel in, die een heterokaryon (Grieks; verschillende kernen) wordt genoemd. De kernen in een heterokaryon versmelten over het algemeen niet. In zekere zin is deze toestand een “mimische” diploïde. Veronderstel dat er in verschillende stammen mutaties zijn in twee verschillende genen die hetzelfde mutante fenotype opleveren – bijvoorbeeld argininebehoefte. De twee stammen, waarvan hetgenotype kan worden weergegeven alsarg-1 – arg-2+enarg-1+ – arg-2, kunnen worden gefuseerd tot een heterokaryon met de twee kernen in een gemeenschappelijk cytoplasma:

Omdat de genexpressie in een gemeenschappelijk cytoplasma plaatsvindt, kunnen de twee wildtype allelen hun dominante effect uitoefenen en samenwerken om een heterokaryon van wildtype fenotype te produceren. Met andere woorden, de twee mutaties vullen elkaar aan, net als bij adiploïd. Als de mutaties allelen van hetzelfde gen waren geweest, zou er geen complementatie zijn opgetreden.