Межаллельная комплементация это что такое? Примеры

Межаллельная комплементация - уникальное явление в генетике, позволяющее понять механизмы взаимодействия генов. Давайте разберемся, что это такое и почему оно важно.

Определение межаллельной комплементации

Межаллельная комплементация - это компенсация дефектов при объединении двух или более мутантных аллелей одного гена в гетерозиготе. В результате такой комплементации может восстанавливаться нормальный или близкий к нормальному фенотип.

Например, у дрожжей это может проявляться в восстановлении активности фермента фосфорибозиламиноимидазолкарбоксилазы, дефектного у обоих родительских штаммов. То есть происходит формирование нового нормального признака у гетерозигот, которого не было ни у одного из гомозиготных родительских организмов.

При этом часто образуются гибридные белковые молекулы, включающие полипептидные цепи, закодированные разными аллелями.

Механизм межаллельной комплементации

Как же происходит эта комплементация на молекулярном уровне? Суть в том, что мутантные аллели кодируют белковые субъединицы одного фермента, но с разными дефектами. При объединении таких субъединиц в гетерозиготе происходит их взаимное исправление.

Например, у нейроспоры было показано восстановление активности фермента аденилосукциназы при смешивании экстрактов из двух штаммов-мутантов, дефектных по разным участкам этого фермента.

Однако при этом активность фермента полностью не восстанавливается, что указывает на особенности межаллельной комплементации по сравнению с взаимодействием неаллельных генов.

Условия проявления межаллельной комплементации

Межаллельная комплементация обнаружена только для генов, кодирующих мультимерные ферменты из идентичных субъединиц. Это связано с особенностями пространственной структуры таких ферментов.

У мультимерных ферментов белковые молекулы часто имеют доменную организацию. Разные домены отвечают за определенные функциональные центры или участки связывания субстратов.

Если мутации локализованы в разных доменах и затрагивают разные центры фермента, то при объединении мутантных субъединиц может восстанавливаться общая каталитическая активность за счет взаимной компенсации дефектов.

Такие особенности межаллельной комплементации отражаются в картах комплементации, на которых размер и локализация мутировавших участков соответствуют структурно-функциональной организации фермента.

Например, для гена ad2 дрожжей, контролирующего синтез аденина, построена следующая карта комплементации аллелей:

Здесь видно, что аллели, полностью блокирующие синтез аденина, несут более протяженные мутации по сравнению с аллелями, при которых синтез сохраняется, но ослаблен.

Практическое применение межаллельной комплементации

Понимание механизмов межаллельной комплементации позволяет использовать это явление на практике для изучения структурно-функциональной организации ферментов.

Анализируя карты комплементации, можно выявлять ключевые домены ферментов, ответственные за те или иные функции, а также активные центры и участки связывания субстратов.

Кроме того, с помощью модификаторов и супрессоров комплементации можно изучать условия нормального функционирования ферментов. Например, показано влияние ионов калия и магния на способность некоторых аллелей гена am у нейроспоры к комплементации.

Межаллельная комплементация у человека

Нарушения межаллельной комплементации могут лежать в основе некоторых наследственных заболеваний человека.

Это связано с мутациями как в структурных генах, кодирующих белки, так и в регуляторных генах, контролирующих экспрессию других генов.

В результате таких мутаций может нарушаться нормальный синтез и функционирование белков в клетках организма, что приводит к развитию патологических состояний.

Классическим "примером межаллельной комплементации человека" является болезнь Хантингтона, обусловленная доминантным летальным аллелем, который маскирует нормальный аллель.

Межаллельная комплементация и комплементарность

Иногда понятия "межаллельная комплементация" и "комплементарность" используют как синонимы в генетической литературе.

Однако между ними есть отличия: "комплементарность" - это более общее явление взаимодействия неаллельных генов, тогда как "межаллельная комплементация" подразумевает конкретный механизм взаимной компенсации дефектов между разными аллелями одного гена.

Перспективы изучения

Несмотря на многолетнее изучение, межаллельная комплементация до конца не понята. Остается открытым вопрос о молекулярных механизмах взаимодействия мутантных субъединиц друг с другом.

Кроме того, важно выяснить, можно ли целенаправленно влиять на этот процесс для коррекции наследственных заболеваний человека, связанных с нарушением межаллельной комплементации.

Межаллельная комплементация и эволюция

Межаллельная комплементация также играет важную роль в эволюции.

Сочетание в одном организме разных мутантных аллелей, способных к комплементации, повышает его жизнеспособность по сравнению с гомозиготными родительскими формами.

Это приводит к формированию одногенного гетерозиса и создает предпосылки для закрепления таких полезных гетерозиготных сочетаний в популяции в процессе естественного отбора.

Применение в селекции растений и животных

Эффект межаллельной комплементации можно использовать в селекции сельскохозяйственных растений и домашних животных.

Скрещивая особей, несущих разные мутантные аллели одних и тех же генов, можно получать потомство с более высокими продуктивными качествами по сравнению с исходными родительскими формами.

Моделирование межаллельной комплементации

Перспективно создание компьютерных и математических моделей межаллельной комплементации, позволяющих прогнозировать результаты взаимодействия различных аллелей в зависимости от типов мутаций.

Это даст возможность целенаправленного подбора оптимальных генетических сочетаний у сельскохозяйственных животных и растений для повышения продуктивности.

Межаллельная комплементация и генная инженерия

Технологии генной инженерии открывают принципиально новые возможности для изучения и практического использования межаллельной комплементации.

Методы редактирования генома позволят вносить заданные мутации в гены мультимерных белков и анализировать эффекты взаимодействия таких искусственно созданных аллелей.

В перспективе это может быть использовано для коррекции наследственных заболеваний человека, а также оптимизации свойств сельскохозяйственных организмов.

Нерешенные вопросы межаллельной комплементации

Несмотря на многолетнее изучение, межаллельная комплементация до конца не понята.

Остается неясным точный молекулярный механизм взаимодействия мутантных субъединиц ферментов друг с другом, приводящий к взаимной компенсации дефектов.

Требуют уточнения структурные особенности белков, при которых возможна или невозможна межаллельная комплементация.

Перспективы терапевтического использования

Открытым остается вопрос, можно ли целенаправленно модулировать межаллельную комплементацию для коррекции наследственных заболеваний человека.

Необходим поиск химических соединений, способных влиять на взаимодействие мутантных субъединиц ферментов.

Перспективно использование для этой цели методов генной терапии, позволяющих вводить нормальные копии генов в клетки пациентов.

Этические вопросы применения межаллельной комплементации

Возможность целенаправленного вмешательства в механизмы межаллельной комплементации ставит и этические вопросы.

Необходима оценка потенциальных рисков, которые могут возникнуть при применении соответствующих биомедицинских технологий у людей.

Требуются специальные правовые нормы, регулирующие допустимые направления и методы работ в этой сфере с учетом интересов пациентов.

Общественное понимание проблемы

Для принятия взвешенных решений по использованию межаллельной комплементации в медицине нужна широкая общественная дискуссия с участием не только специалистов, но и представителей общественных организаций.

Необходимо повышать осведомленность людей о сути этого явления, перспективах и рисках его практического применения в контексте лечения наследственных болезней.