進化中編碼線粒體蛋白質的一些基因是怎樣轉移到細胞核中的呢？

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題主無疑提了一個巨難回答的問題。雖然我不是專門研究這個，但看過一點點文獻，勉強來湊個熱鬧。藉此拋磚引玉，希望有行家來回答。

支持內共生假說的論據，包括線粒體、葉綠體具雙層膜結構，其基因組和細菌具有高度相似性，其DNA缺乏組蛋白，呈環狀單倍體等，就不鋪開說了，直接看題主提的兩個核心問題。

問題1： 許多必要的線粒體蛋白都由核基因控制，這些基因是從原始有氧原核生物的DNA分子上，轉移到核中染色體的嗎？

通過比較基因組學發現，線粒體可能起源自一類α-Proteobacteria（α-變形菌）。但相比起來，變形菌的基因組比線粒體要大得多。現代的α-變形菌，其基因組約7 Mb，編碼約6700個基因。而人類細胞線粒體基因組只有16569 bp（即~16.6 Kb），僅攜帶37個基因。假設線粒體真的起源於α-變形菌，這其中一定會有基因的丟失。（葉綠體基因組則與Cyanobacteria藍細菌相近，但同樣也比後者小多了。）

2003年這篇文章Reconstruction of the Proto-Mitochondrial Metabolism（Science 01 Aug 2003: Vol. 301, Issue 5633, pp. 609）的研究提示，至少有630個真核核基因起源於α-變形菌，同時並非是後來才出現的基因橫向轉移（通過數學方法過濾掉的，具體得看文獻中的方法部分）。

這些證據都傾向於支持，在遠古內共生之時，α-變形菌的部分基因組轉移到了宿主之中（Horizontal gene transfer，橫向基因轉移），並最終演化成了真核宿主細胞和線粒體這樣的功能體系。

追加問題1.5：這種橫向基因轉移到底有沒有機制上的可行性？

答案是有的。實際上，這種機制並沒有我們想像中那麼高深，在基本的分子生物學實驗中就已廣泛應用。做過真核細胞質粒轉染實驗的就知道，環狀的細菌質粒，會有一個極低的概率（約10^-6，百萬分之一）穩定整合到真核基因組之中。假設我們把環狀質粒用酶切消化成線性DNA，這個整合效率就會顯著提高。

這種橫向基因轉移，依賴於DNA修復過程中的Non-homologous end joining（NHEJ，非同源末端連接），Homology directed repair（HDR，同源指導修復）和Microhomology-mediated end joining（MMEJ，微同源介導末端連接）三種機制。雖然修復通路不同，修復結果也不大相同，但從大體上來講，都可以在損傷的雙鏈DNA缺口之間，插入外來DNA序列。近年熱門的CRISPR基因編輯技術，其基因knock-in（敲入）和鹼基置換的技術原理，也是依賴於這三種DNA修復機制。

值得一提的是，NHEJ和HDR在細菌中也是存在的，說明這些機制可能起源得相當早。

基因組在複製的過程中，存在DNA雙鏈斷裂（或隨機，或是外界刺激引起），同時真核細胞的祖先中又存在著允許外來DNA插入修復的機制，那麼在遠古的內共生發生之時，α-變形菌的基因組就有可能插入到真核祖先之中。

此外，這種由細胞器向細胞核進行的橫向基因轉移的過程，目前還在進行之中，並非是遠古內共生形成後就結束了。不過，這個概率非常地低（大概也是百萬分之一每代這樣的事件）。若要穩定遺傳，還要有性狀，在自然發生的條件下，可能要以百萬年的尺度來衡量。不過在實驗室中，我們倒是可以藉助增強篩選壓力，來加速獲得穩定轉移的細胞或植株。

問題2：為什麼在進化過程中，不是細胞核基因轉移到線粒體中，從而使許多重要的原真核生物蛋白由線粒體基因控制呢？

用偷懶但又有用的話來講，那是因為α-變形菌已經有了一整套自主生存、增殖和遺傳的基因組，所以沒有真核細胞祖先的基因組插入，也沒什麼大不了。甚至如果不小心插錯、亂插了，對α-變形菌也是不利的，反而會被選擇壓力淘汰掉。

第二點，是我不大明確的一點，是α-變形菌的基因組穩定性，不如真核細胞祖先那麼強。現代線粒體和葉綠體基因組不存在組蛋白，其穩定性不如有組蛋白結合的真核基因組那麼強。我們可以推測，在α-變形菌進入真核祖先時，其基因組可能會斷裂，失去了再遺傳的能力，而碎片化的DNA則隨機地插入到了宿主基因組之中。而反過來，由於真核祖先的基因組穩定性強，不容易碎片化，所以要反插到內共生物的基因組，概率就太低了。

還有一點可能性是基因組的大小與插入的耐受性。內共生物的基因組，相比起宿主來說，那是小太多了。比方說，人類基因組二倍體有6 Gb，而現代α-變形菌的基因組是7 Mb。外源DNA插入是有風險的，能夠遺傳下去的，且不說要有遺傳優勢，至少也得耐受得住。不難理解，大的基因組，耐受插入的能力就比較強。

這裡我還找到一篇文章是從突變率的角度入手去討論的：Why Mitochondrial Genes are Most Often Found in Nuclei（Mol Biol Evol (2000) 17 (6): 951-961.）。他們指出，線粒體基因組的高突變率，會傾向於使線粒體基因組向核基因組轉移。

拓展閱讀：

http://www.nature.com/nrg/journal/v5/n2/full/nrg1271.html

Nature Reviews Genetics 5, 123-135 (February 2004)

Endosymbiotic gene transfer: organelle genomes forge eukaryotic chromosomes

Genome sequences reveal that a deluge of DNA from organelles has constantly been bombarding the nucleus since the origin of organelles. Recent experiments have shown that DNA is transferred from organelles to the nucleus at frequencies that were previously unimaginable. Endosymbiotic gene transfer is a ubiquitous, continuing and natural process that pervades nuclear DNA dynamics. This relentless influx of organelle DNA has abolished organelle autonomy and increased nuclear complexity.

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在J.D沃森的「基因的分子生物學」中依然對這一問題進行了恰當的分析，當時BBC的科學紀錄片「生命的起源」也同樣描述了這一過程，通過胞吞作用，古生菌，也就是原核生物中的細菌，吞噬了這類更為原始的小細菌，而這些小細菌的主要特徵之一有氧呼吸，通過胞吞作用後，古生菌多出了一個細胞器，這也是細胞的進化，出現了更為專一的細胞器，好比，生物逐漸從細胞內消化到半細胞內消化，半細胞外消化再到人類的營養物質全酶促反應消化一樣，同為生物的進化，樓主提出了這樣的觀點：基因是從原始有氧原核生物的DNA分子上，轉移到核中染色體；對於這種觀點，不能與人體食肉而不能得到該物種DNA片段混淆，因為一個是細胞內消化——古生菌，一個是管腔消化——人類，樓主提及的基因100%是指的是控制線粒體蛋白合成的基因，其實也不全是，樓主問問題的時候，在已有的知識內就犯了錯誤，因為線粒體也同時具有少量DNA鏈，且構象完整，只不過只能對這些蛋白質合成控制性狀的作用佔到10%左右，不過樓主的問題依然有探討性，以前線粒體沒被胞吞進入古生菌前，是可以獨立遺傳的，即這樣的時候，線粒體蛋白是獨立由該小細菌的遺傳物質控制的。

對於進化的規律，正如同強者吞併弱者一樣，商業更是如此，這是符合進化規律的，因為這樣進化後，使得這個同化體發揮更好地有氧呼吸效果！

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