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相補性とは、遺伝物質（例えばDNA）の一部が突然変異の表現型を回復させる能力を指します。これは、突然変異の影響を受けた遺伝子のコピーがその遺伝物質の一部に含まれていることを示し、どの突然変異がどの遺伝子に影響を与えるかを判断するための重要な基準となります。
相補性は、それぞれ変異を持つ生物の系統を交配または交雑させ、簡単な相補性試験を行うことで評価できます。問題となる変異がホモ接合で劣性の場合、変異が異なる遺伝子にある場合（遺伝子間相補性）、相補性によって通常は正常な（または「野生型」）表現型が得られます。変異が異なる遺伝子にある場合、各系統のゲノムは野生型対立遺伝子を提供し、他の系統のゲノムの変異対立遺伝子を「相補」します。変異は劣性であるため、各遺伝子でヘテロ接合変異体である子孫は野生型表現型を示します。変異が同じ遺伝子に影響を与える場合、どちらのゲノムも野生型対立遺伝子を提供できず、変異表現型が生じます。このような単純な相補性では、片方または両方の親系統よりも弱い表現型を持つ子孫が生じる場合があります。これは、子孫が野生型遺伝子の機能を完全に欠いていることから、両方の変異が同じ遺伝子に影響を与えている可能性が高いことを示しています。単純な相補性試験（すなわち、劣性変異に関してホモ接合体の系統を交配または交雑させること）は、分子情報がなくても、ほとんどの場合、変異を同じ遺伝子または異なる遺伝子に割り当てるための便利で実用的な方法を提供します。
相補性という用語は、交配や交雑を伴わずに達成される同様の現象にも適用される。例えば、突然変異は、交配によって導入されるのではなく、分子生物学的手法を用いて細胞内に導入されたDNA断片にコードされた遺伝子によって相補されることがある。
相補性の法則には例外が生じる場合がある。これには、遺伝子内相補性と非対立遺伝子非相補性が含まれる（後述の項も参照）。遺伝子内相補性では、同じ遺伝子に影響を与える変異であっても相補性を示すことがあり、これは、各変異が多機能遺伝子産物の個別の機能に影響を与える場合に起こることがある。非対立遺伝子非相補性は、異なる遺伝子に影響を与える変異が相補性を示さない場合、例えば、それらの変異が産物が相互作用したり、相互依存的な機能を持つ遺伝子に影響を与える場合に起こる。非対立遺伝子非相補性は、シス-トランス試験を用いて区別することができる。シス-トランス試験は、単純な相補性試験では必ずしも明らかにならない優性変異の対立遺伝子性を決定するのにも有用である。
同一染色体上に連鎖した2つの変異（シス型）を持つ生物の表現型が、反対側の相同染色体対上に2つの変異（トランス型）を持つ生物の表現型と同じであれば、2つの変異は異なる遺伝子に影響を与えている可能性が高い。これは、変異が異なる遺伝子にある場合、シス型とトランス型の両方の遺伝子型において、それぞれの遺伝子に変異型コピーと野生型コピーが1つずつ存在し、同じ表現型が期待されるためである。変異が同一遺伝子内でシス型である場合、二倍体生物はその遺伝子の野生型コピーと二重変異コピーをそれぞれ1つずつ持つが、変異が同一遺伝子内でトランス型である場合、生物はその遺伝子の野生型コピーを持たず、表現型は同じにならない可能性がある。シス・トランス検定は、優性変異と劣性変異の間の対立遺伝子関係を明らかにすることができ、対立遺伝子関係と非対立遺伝子非相補性を区別することができる。
シス-トランス試験では例外が生じる場合もある。例えば、ショウジョウバエの変異Cbx1とpbx1のシスとトランスの組み合わせは、どちらもUltrabithorax遺伝子の対立遺伝子であるにもかかわらず、同じ表現型を示す。この異常な挙動の分子基盤はBenderらによって説明されている[ 1 ]。
アメリカの遺伝学者EBルイスは、ショウジョウバエを用いてシス変異とトランス変異の表現型を比較した最初の人物かもしれないが[ 2 ]、遺伝子に変異を割り当てる手段としての相補性の現代的な理解は、バクテリオファージを用いたベンザーの研究に大きく起因している[ 3 ] 。
相補性試験の簡単な例として、遺伝学者がショウジョウバエ（Drosophila melanogaster）の白眼の2つの系統を研究することに興味を持っているとします。この種では、野生型のハエは赤い目を持ち、目の色は2つの遺伝子AとBに関連していることが知られています。これらの遺伝子にはそれぞれ2つの対立遺伝子があり、機能するタンパク質をコードする優性対立遺伝子（それぞれAとB ）と、機能しないタンパク質をコードする劣性対立遺伝子（それぞれaとb）があります。どちらのタンパク質も目の赤い色素の合成に必要であるため、あるハエがaまたはbのいずれかについてホモ接合体である場合、そのハエは白い目になります。
このことを踏まえ、遺伝学者は、別々に入手した2つの純系白眼ショウジョウバエ系統を用いて相補性試験を行うことがある。この試験は、それぞれの系統から1匹ずつ、計2匹のショウジョウバエを交配させることで行われる。もし生まれた子孫の目が赤ければ、その2つの系統は相補的であると言われ、もし子孫の目が白ければ、相補的ではないと言われる。
両株が相補的である場合、一方の株の遺伝子型はaa BB、もう一方の株の遺伝子型はAA bbであると想定され、交配すると遺伝子型はAaBbとなる。言い換えれば、各株は異なる欠損に関してホモ接合体であり、同じ表現型を示す。両株が相補的でない場合、両方の株の遺伝子型は「aaBB」、「AAbb」、または「aabb」である。言い換えれば、両方の株は同じ欠損に関してホモ接合体であり、当然ながら同じ表現型を示す。
相補性試験は、真菌などの一倍体真核生物、細菌、バクテリオファージなどのウイルスでも実施できます。[ 4 ] 真菌Neurospora crassaの研究は、1 遺伝子 1 酵素の概念の開発につながり、その後の分子遺伝学の発展の基礎となりました。[ 5 ] [ 6 ]相補性試験は、実施が容易で、2 つの栄養変異体が同じ遺伝子または異なる遺伝子に欠陥があるかどうかを研究者が判断できるため、初期の Neurospora 研究で使用された主要なツールの 1 つでした。
相補性試験は、バクテリオファージT4が主な研究対象の一つであった分子遺伝学の初期開発においても使用されました。[ 7 ]この場合、試験は2種類の異なるバクテリオファージ変異体による宿主細菌細胞の混合感染に依存します。この試験の使用は、ウイルスのほとんどの遺伝子を定義する上で重要であり、DNA複製や修復、分子機械の構築方法といった基本的なプロセスの研究の基礎を提供しました。
ヘテロシスとは、雑種個体が純血種の親個体よりも体格や活力において優位に立つ傾向のことである。この現象は動物や植物において古くから知られている。ヘテロシスは主に遺伝的相補性、すなわち雑種個体において有害な劣性対立遺伝子が覆い隠されることによるものと考えられている。
一般的に、真核生物の有性生殖の2つの基本的な側面は、減数分裂と他家受粉である。これら2つの側面は、それぞれ2つの自然選択上の利点を持つと提唱されている。減数分裂は、そうでなければ修復が困難なDNA損傷の組換え修復を促進するため、適応的であると考えられている。他家受粉は、相補性、すなわち有害な劣性対立遺伝子のマスキングを促進するため、適応的であると考えられている[ 8 ]（ヘテロシスも参照）。有害な対立遺伝子をマスキングすることの利点は、真核生物における有性生殖の維持における主要な要因であると提唱されている。さらに、他家受粉から生じる相補性の選択的利点は、自然界における近親交配の一般的な回避を大きく説明できる可能性がある（例えば、血縁認識、近親交配による弱勢、近親相姦のタブーに関する記事を参照）。[ 9 ]
量的遺伝学において劣性突然変異体を発見するために用いられる手法。ここでは、欠陥遺伝子を、劣性突然変異体を含むと考えられるハプロタイプと交配させる。
これらの規則（パターン）には例外がないわけではありません。非対立遺伝子変異体は、時折相補しないことがあります（これは「非対立遺伝子非相補性」または「非連鎖非相補性」として知られています）。これはまれな現象であり、調査対象の変異体の種類によって異なります。たとえば、2つの変異が合成優性ネガティブである可能性があります。トランスベクションも別の例で、遺伝子の異なるセクションに変異を持つ2つの対立遺伝子のヘテロ接合体の組み合わせが互いに相補し、野生型表現型を回復します。[ 10 ]
同じ遺伝子に欠陥のある 2 つの変異体間の相補性を測定すると、一般的に相補性がないか、相補表現型が変異体と野生型の表現型の中間であることがわかっています。遺伝子内相補性 (対立遺伝子間相補性とも呼ばれる) は、Neurospora crassa、Saccharomyces cerevisiae、Schizosaccharomyces pombeなどの真菌、 Salmonella typhimuriumなどの細菌、およびバクテリオファージ T4ウイルスなど、さまざまな生物の多くの異なる遺伝子で実証されています。[ 11 ]いくつかのそのような研究では、同じ遺伝子に欠陥のある多数の変異が分離され、組換え頻度に基づいて線形順序でマッピングされて、遺伝子の遺伝子地図が作成されました。別々に、相補性を測定するために、変異体がペアワイズの組み合わせでテストされました。こうした研究の結果を分析した結果、一般的に、遺伝子内相補性は、異なる欠陥を持つポリペプチドモノマーの相互作用によって「マルチマー」と呼ばれる凝集体が形成されることから生じるという結論に至った。[ 12 ]マルチマーを形成するポリペプチドをコードする遺伝子は一般的であると思われる。データの解釈の一つとして、ポリペプチドモノマーはマルチマー内でしばしば、遺伝子地図上の近傍部位に欠陥を持つ変異ポリペプチドは機能の低い混合マルチマーを形成する傾向があり、一方、遠位部位に欠陥を持つ変異ポリペプチドはより効果的に機能する混合マルチマーを形成する傾向があるという解釈がある。自己認識とマルチマー形成に関与すると考えられる分子間力については、Jehleによって議論された。[ 13 ]