有性生殖過程可以修補(bǔ)受損的基因組

原核生物基因組的多樣化，是通過從其他的基因組獲得的DNA的能力來維持的。然而，在DNA轉(zhuǎn)移的過程中，一些遺傳元件可能會(huì)感染并入侵基因組。該細(xì)菌細(xì)胞的自然轉(zhuǎn)化過程的發(fā)現(xiàn)，也促進(jìn)了上個(gè)世紀(jì)分子生物學(xué)的大發(fā)展。出人意料的是，一項(xiàng)新的研究表明，原核生物中的有性生殖過程，即其自然轉(zhuǎn)化機(jī)制，可以有效地治愈基因組的損傷，抵消之前基因交流過程導(dǎo)致的遺傳元件的感染。水平基因轉(zhuǎn)移（HGT）是原核生物維持遺傳多樣性的一個(gè)關(guān)鍵因素。在自然種群中，水平基因轉(zhuǎn)移的頻率是非常高的，導(dǎo)致物種的基因庫(kù)中較少有比較高頻的核心基因，而有很多非常低頻的基因。這些低頻的基因造就了原核生物基因組的多樣性。這些基因還能夠在不同的基因組間轉(zhuǎn)移，作為一種可移動(dòng)的遺傳元件，但是他們更像一種基因組的寄生蟲。因此，有特殊特性的水平基因轉(zhuǎn)移往往伴隨著（轉(zhuǎn)化過程）代價(jià)高昂的可移動(dòng)遺傳元件出現(xiàn)。Croucher、Fraser和同事們提出，小片段DNA的重組過程可能構(gòu)成了轉(zhuǎn)化過程中，細(xì)菌基因組遺傳物質(zhì)缺失的基礎(chǔ)。天然轉(zhuǎn)化允許環(huán)境中的DNA被攝取到細(xì)胞。轉(zhuǎn)化過程由專門的受體細(xì)胞負(fù)責(zé)，受體細(xì)胞中會(huì)表達(dá)轉(zhuǎn)化機(jī)器，并zui傾向于近親族群間的DNA交換。DNA的到達(dá)細(xì)胞內(nèi)時(shí)是以單鏈的形態(tài)存在的，如果它不降解，就可以通過同源重組整合進(jìn)入受體細(xì)胞基因組中高度序列相似性的區(qū)域。這導(dǎo)致染色體的一小部分與外源DNA之間進(jìn)行等位基因交換。根據(jù)轉(zhuǎn)化DNA和受體基因組之間的序列相似性的程度，以及重組機(jī)制的不同，替代重組過程也可能會(huì)發(fā)生。高相似性的區(qū)域側(cè)翼的非同源的DNA，可以通過雙同源重組被整合進(jìn)基因組。混合型的同源和異常重組的序列相似性要求不太嚴(yán)格。這些還會(huì)過程導(dǎo)致染色體DNA 的小部分缺失。這些替代重組途徑使細(xì)菌失去或者獲得新的遺傳信息。進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞的外源DNA攜帶著側(cè)翼的移動(dòng)元件和核心基因，但如果缺少這些側(cè)翼的移動(dòng)元件，僅剩的核心基因可以成為模板來刪除受體基因組中和核心基因同源的DNA片段。重要的是，這種機(jī)制可以有效地刪除原核生物種群基因組中的低頻DNA片段。入侵受體的移動(dòng)遺傳元件zui初在種群中呈現(xiàn)低頻狀態(tài)，這些低頻的入侵元件逐漸早原核生物的轉(zhuǎn)化過程中被刪除。因此，原核生物的自然轉(zhuǎn)化和基因重組將逐漸導(dǎo)致入侵基因組的遺傳元件（或者基因寄生蟲）片段被刪除掉，比如可以逐漸清除噬菌體、致病性的遺傳島等等。計(jì)算機(jī)模擬顯示，自然轉(zhuǎn)化導(dǎo)致的基因重組甚至可以抵消可移動(dòng)遺傳元件的水平轉(zhuǎn)播。移動(dòng)元件的刪除，對(duì)于原核生物來說，可以認(rèn)為是基因組的一種自清潔過程，讓種群的基因庫(kù)變得更加健康。自然轉(zhuǎn)化導(dǎo)致染色體“治愈"模型，可能有助于解釋其他塑造原核生物基因組進(jìn)化的機(jī)制，而不僅僅是基因組中的可移動(dòng)元件的刪除。通過同源重組相關(guān)的可替代重組導(dǎo)致的基因組刪除，可以導(dǎo)致一些可移動(dòng)元件的清理，可以“治愈"基因組的損傷，可能是原核生物進(jìn)化出的一種保護(hù)機(jī)制。zui近的幾項(xiàng)研究已經(jīng)表明，該類似于有性生殖的同源重組機(jī)制在原核生物功能創(chuàng)新和外來基因馴化等過程中的重要性。該模型可能也適用于解釋細(xì)胞之間傳送小的DNA片段的其他機(jī)制。染色體“治愈"模型的深入研究，可能有助于解開他們?cè)谏鷳B(tài)和進(jìn)化中的重要影響。