Complementación (genética)

La complementación se refiere a la capacidad de un segmento de material genético (por ejemplo, ADN) para revertir el fenotipo de una mutación. Demuestra que una copia del gen afectado por la mutación se encuentra dentro del segmento de material genético y constituye un criterio importante para determinar qué mutaciones afectan a qué genes.

La complementación se puede evaluar mediante el apareamiento o cruce de cepas de un organismo que portan mutaciones , utilizando una sencilla prueba de complementación . Cuando las mutaciones son homocigotas y recesivas, la complementación generalmente produce un fenotipo normal (o de tipo silvestre) si las mutaciones se encuentran en genes diferentes (complementación intergénica). En estos casos, el genoma de cada cepa aporta el alelo de tipo silvestre para complementar el alelo mutado del genoma de la otra cepa. Dado que las mutaciones son recesivas, la descendencia heterocigota mutante en cada gen mostrará el fenotipo de tipo silvestre. Cuando las mutaciones afectan al mismo gen, ninguno de los genomas puede aportar un alelo de tipo silvestre, lo que resulta en un fenotipo mutante. Esta sencilla complementación puede, en ocasiones, producir descendencia con un fenotipo más débil que el de una o ambas cepas parentales. Esto indica que ambas mutaciones probablemente afectan al mismo gen, ya que sugiere que la descendencia carece por completo de la función del gen de tipo silvestre. Las pruebas de complementación simples (es decir, el apareamiento o el cruce de cepas homocigotas para mutaciones recesivas) proporcionan un enfoque práctico y conveniente que funciona en la mayoría de los casos para asignar mutaciones a los mismos genes o a genes diferentes sin necesidad de información molecular.

El término complementación también se aplica a fenómenos similares que se logran sin apareamiento ni cruzamiento. Por ejemplo, una mutación puede complementarse mediante un gen codificado en un fragmento de ADN que se introduce en la célula utilizando técnicas de biología molecular, en lugar de introducirlo mediante apareamiento.

Pueden darse excepciones a la regla de complementación. Estas incluyen la complementación intragénica y la no complementación no alélica (véanse también las secciones siguientes). En la complementación intragénica, las mutaciones que afectan al mismo gen pueden complementarse, lo que a veces ocurre cuando cada mutación afecta a una función específica de un producto génico multifuncional. La no complementación no alélica se produce cuando las mutaciones que afectan a diferentes genes no se complementan, por ejemplo, cuando afectan a genes cuyos productos interactúan o tienen funciones interdependientes. La no complementación no alélica puede distinguirse mediante una prueba cis-trans. Esta prueba también es útil para determinar el alelismo de mutaciones dominantes, que no siempre se detecta con pruebas de complementación simples.

Si el fenotipo de organismos que presentan dos mutaciones ligadas en el mismo cromosoma (es decir, en cis) es el mismo que el de organismos que presentan las dos mutaciones en cromosomas homólogos opuestos (es decir, en trans), entonces es probable que las dos mutaciones afecten a genes diferentes. Esto se debe a que, cuando las mutaciones se encuentran en genes diferentes, tanto el genotipo cis como el trans tienen una copia mutante y una de tipo silvestre de cada gen, y se espera el mismo fenotipo. Cuando las mutaciones están en cis en el mismo gen, el organismo diploide tiene una copia de tipo silvestre y una copia doblemente mutada de ese gen; pero cuando las mutaciones en el mismo gen están en trans, el organismo no tiene copias de tipo silvestre del gen, y el fenotipo puede no ser el mismo. Las pruebas cis-trans pueden revelar el alelismo entre mutaciones dominantes y recesivas, y pueden distinguir el alelismo de la no complementación no alélica.

La prueba cis-trans también puede arrojar excepciones. Por ejemplo, las combinaciones cis y trans de las mutaciones Cbx ¹ y pbx ¹ de Drosophila producen el mismo fenotipo, aunque ambos son alelos del gen Ultrabithorax . La base molecular de este comportamiento anómalo fue explicada por Bender et al. ^{[ 1 ].}   

El genetista estadounidense EB Lewis pudo haber sido la primera persona en comparar los fenotipos de mutaciones en cis y en trans, utilizando la mosca de la fruta Drosophila , ^{[ 2 ]} pero la comprensión moderna de la complementación como medio para asignar mutaciones a genes se debe en gran medida al trabajo de Benzer con el bacteriófago. ^{[ 3 ]}

Como ejemplo sencillo de una prueba de complementación, supongamos que un genetista está interesado en estudiar dos cepas de moscas de ojos blancos de la especie Drosophila melanogaster , más conocida como mosca común de la fruta. En esta especie, las moscas de tipo silvestre tienen ojos rojos, y se sabe que el color de los ojos está relacionado con dos genes, A y B. Cada uno de estos genes tiene dos alelos: uno dominante que codifica una proteína funcional ( A y B , respectivamente) y uno recesivo que codifica una proteína defectuosa ( a y b, respectivamente). Dado que ambas proteínas son necesarias para la síntesis de la pigmentación roja en los ojos, si una mosca es homocigota para a o b , tendrá ojos blancos.

Sabiendo esto, el genetista puede realizar una prueba de complementación en dos cepas de moscas de ojos blancos de raza pura, obtenidas por separado. La prueba se realiza cruzando dos moscas, una de cada cepa. Si la descendencia resultante tiene ojos rojos, se dice que las dos cepas se complementan; si la descendencia tiene ojos blancos, no se complementan.

Si las cepas se complementan, imaginamos que una cepa debe tener el genotipo aa BB y la otra AA bb, lo que da como resultado el genotipo AaBb al cruzarse. En otras palabras, cada cepa es homocigota para una deficiencia diferente que produce el mismo fenotipo. Si las cepas no se complementan, ambas deben tener los genotipos 'aaBB', 'AAbb' o 'aabb'. En otras palabras, ambas son homocigotas para la misma deficiencia, lo que obviamente producirá el mismo fenotipo.

Las pruebas de complementación también pueden realizarse con eucariotas haploides como hongos , con bacterias y con virus como bacteriófagos . ^{[ 4 ]} La investigación sobre el hongo Neurospora crassa condujo al desarrollo del concepto de un gen, una enzima, que sentó las bases para el desarrollo posterior de la genética molecular. ^{[ 5 ] [ 6 ]} La prueba de complementación fue una de las principales herramientas utilizadas en los primeros trabajos sobre Neurospora, porque era fácil de realizar y permitía al investigador determinar si dos mutantes nutricionales cualesquiera eran defectuosos en el mismo gen o en genes diferentes.

La prueba de complementación también se utilizó en los inicios del desarrollo de la genética molecular, cuando el bacteriófago T4 era uno de los principales objetos de estudio. ^{[ 7 ]} En este caso, la prueba se basa en infecciones mixtas de células bacterianas huésped con dos tipos diferentes de bacteriófagos mutantes. Su uso fue clave para definir la mayoría de los genes del virus y sentó las bases para el estudio de procesos fundamentales como la replicación y reparación del ADN, y la construcción de las máquinas moleculares .

La heterosis es la tendencia de los individuos híbridos a superar a sus progenitores de raza pura en tamaño y vigor. Este fenómeno se conoce desde hace mucho tiempo en animales y plantas. La heterosis parece deberse en gran medida a la complementación genética, es decir, al enmascaramiento de alelos recesivos deletéreos en los individuos híbridos.

En general, los dos aspectos fundamentales de la reproducción sexual en eucariotas son la meiosis y la exogamia . Se ha propuesto que estos dos aspectos poseen dos ventajas selectivas naturales, respectivamente. Se propone que la meiosis es adaptativa porque facilita la reparación recombinacional de los daños en el ADN que, de otro modo, serían difíciles de reparar. Se propone que la exogamia es adaptativa porque facilita la complementación, es decir, el enmascaramiento de alelos recesivos deletéreos ^{[ 8 ]} (véase también heterosis ). Se ha propuesto que el beneficio del enmascaramiento de alelos deletéreos es un factor importante en el mantenimiento de la reproducción sexual entre eucariotas. Además, la ventaja selectiva de la complementación que surge de la exogamia puede explicar en gran medida la evitación general de la endogamia en la naturaleza (véanse, por ejemplo, los artículos reconocimiento de parentesco , depresión por endogamia y tabú del incesto ). ^{[ 9 ]}

Utilizada por la genética cuantitativa para descubrir mutantes recesivos. En este método, se toman deficiencias genéticas y se cruzan con un haplotipo que se cree que contiene el mutante recesivo.

Estas reglas (patrones) no están exentas de excepciones. Los mutantes no alélicos pueden, en ocasiones, no complementarse (esto se conoce como "no complementación no alélica" o "no complementación no ligada"). Este es un suceso poco común que depende del tipo de mutantes que se estén investigando. Dos mutaciones, por ejemplo, podrían ser dominantes negativas sintéticas . La transvección es otro ejemplo, en el que una combinación heterocigótica de dos alelos con mutaciones en secciones distintas del gen se complementan entre sí para restaurar un fenotipo de tipo silvestre. ^{[ 10 ]}

Cuando se mide la complementación entre dos mutantes defectuosos en el mismo gen, generalmente se encuentra que no hay complementación o que el fenotipo de complementación es intermedio entre los fenotipos mutante y de tipo silvestre. La complementación intragénica (también llamada complementación interalélica) se ha demostrado en muchos genes diferentes en una variedad de organismos, incluidos los hongos Neurospora crassa , Saccharomyces cerevisiae y Schizosaccharomyces pombe ; la bacteria Salmonella typhimurium ; y el virus bacteriófago T4 . ^{[ 11 ]} En varios de estos estudios, se aislaron numerosas mutaciones defectuosas en el mismo gen y se mapearon en orden lineal según las frecuencias de recombinación para formar un mapa genético del gen. Por separado, los mutantes se probaron en combinaciones de pares para medir la complementación. Un análisis de los resultados de estos estudios llevó a la conclusión de que la complementación intragénica, en general, surge de la interacción de monómeros polipeptídicos defectuosos diferentes para formar un agregado llamado "multímero". ^{[ 12 ]} Los genes que codifican polipéptidos formadores de multímeros parecen ser comunes. Una interpretación de los datos es que los monómeros de polipéptidos a menudo se alinean en el multímero de tal manera que los polipéptidos mutantes defectuosos en sitios cercanos en el mapa genético tienden a formar un multímero mixto que funciona mal, mientras que los polipéptidos mutantes defectuosos en sitios distantes tienden a formar un multímero mixto que funciona más eficazmente. Jehle analizó las fuerzas intermoleculares probablemente responsables del autorreconocimiento y la formación de multímeros. ^{[ 13 ]}

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