关键基因指的是对生物的生命活动至关重要的基因,其包括影响某种生命活动的重要基因,这部分基因可以决定生物体的特定表型或者对于特定环境的适应性。关键基因也涵盖直接影响细胞或个体生长发育的必需基因,本文涉及的必需基因都是指细胞优化条件下生长所必需的基因。本论文围绕原核生物和真核生物的两类关键基因,进行了一系列创新性研究。本论文首先对原核生物中好氧微生物和厌氧微生物进行比较基因组学研究。通过基因组、转录组、系统发育等多个层次的研究,对比分析了147个好氧细菌和147个厌氧细菌中的同源蛋白簇（COG）,并结合KEGG中酶注释后的相关信息,以及采用文献挖掘的方法,进一步定位到了27个可能影响氧气偏好性的同源蛋白簇（COG）,蛋白质互作和代谢网络步长比较分析均支持它们可能与氧气偏好性相关的结论。最后结合进化树和物种之间的分化时间,验证了地球上氧气及生物体氧气利用基因的出现时间。其次是对于必需基因识别方面的研究。必需基因是关键基因的一个类别,它得名于其对生物体维持生命活动的重要性和必需性,缺失就会导致个体的死亡或细胞生长的停滞。本部分工作对本课题组开发过的一个原核生物通用必需基因预测软件Geptop进行了升级,增加了参考物种的数目,改进了原有的计算公式,并引入了多线程以提升该预测软件的运行速度,改进之后的Geptop对不同物种的预测的AUC均有了显著的提升,特别对大肠杆菌预测时AUC（Area Under Curve）达到了0.956,并且新版本对基因组之间的进化距离表现出了一定的稳定性。再次是对于多个物种必需基因团簇数据库的研究。必需基因一般都是以单个基因的方式来分析,而具有同源性的必需基因可以被归入到相同的团簇中,这些团簇是基于功能和进化保守性进行划分的。本论文升级了必需基因团簇数据库CEG（database of cluster of essential gene）。新版本补充了13种原核生物,尤其是添加了原核生物“必需基因--药靶”互作相关信息。对于新增的真核生物的必需基因进行了团簇归类,特别针对人类的对应多个细胞系的必需基因进行了团簇归类。CEG升级版还增加了预测真核生物必需基因的工具CEG＿Match 2.0,可以实现通过输入序列和基因名称两种方式预测必需性的功能。最后一部分是关于人类癌细胞系的必需基因的理论预测和实验验证,本部分研究采用特征集成的方法进行理论预测,一共采用958个特征,AUC达到了0.96。并且通过CRISPR-Cas9技术对新增预测得的181个必需基因进行了实验验证,选用的细胞系为包含Hela细胞系的7个细胞系。Hela细胞系的实验结果证实了预测结果的可靠性。综上所述,本论文对多种生物细胞的关键基因进行了研究分析。识别了微生物氧环境适应的关键基因,升级更新了必需基因识别软件Geoptop和必需基因团簇数据库CEG,并针对人类癌细胞进行了必需基因的理论识别。我们的一系列研究有可能促进对于生物体遗传构成、环境适应性的理解和药物靶标基因的筛选。