Une cellule eucaryote peut avoir jusqu’à trois types de systèmes génétiques différents : nucléaire, mitochondrial et chloroplastique. Au cours de l’évolution, les organites ont exporté de nombreux gènes vers le noyau ; ce transfert est toujours en cours chez certaines espèces végétales. Environ 18 % du génome nucléaire d’Arabidopsis thaliana dériverait de l’ancêtre cyanobactérien du chloroplaste, et environ 75 % du génome de la levure dériverait de l’ancêtre bactérien des mitochondries. Cette exportation s’est produite indépendamment de l’emplacement ou de la taille du gène dans le génome organellaire ; des gènes de grande taille et, dans certains cas, l’intégralité du génome organellaire, ont été trouvés dans le noyau.
Le transfert de gènes vers le noyau s’accompagne de la perte de l’autonomie génétique de l’organite. Cependant, de nombreuses protéines codées par les gènes exportés sont toujours produites par le noyau et transportées vers l’organite. Ceci est possible car les gènes sont modifiés pour être compatibles avec la machinerie transcriptionnelle et traductionnelle nucléaire et subissent des changements tels que l’ajout d’un promoteur et d’un terminateur. Une séquence de ciblage est également ajoutée, de sorte que les protéines résultantes soient livrées à l’organite spécifique. Cela permet également au noyau de contrôler l’apport de ces protéines et de réguler la biogenèse des organites. Parfois, ces gènes exportés évoluent et remplissent de nouvelles fonctions pour les organites autres que leur parent. Par exemple, près de 50 % des gènes dérivés des plastes chez Arabidopsis thaliana remplissent des fonctions non plastidiales.
Il existe plusieurs théories expliquant pourquoi les organismes transfèrent des gènes des organites vers le noyau. Les mitochondries et les chloroplastes génèrent des radicaux libres qui peuvent provoquer des mutations nocives dans leur ADN. Le transfert de gènes organellaires vulnérables vers le noyau peut être l’une des stratégies pour les protéger des mutations. Selon le principe génétique du cliquet de Muller, la reproduction asexuée conduit à l’accumulation de mutations délétères qui peuvent éventuellement provoquer l’extinction de l’espèce. Cependant, une fois transféré dans le génome sexuel du noyau, le gène exporté peut subir une recombinaison sexuelle qui l’aide à empêcher l’accumulation de mutations nuisibles.
