一个物种的基因组中包含许多基因,目前发现的最小的基因组中也有482个基因。这些基因不仅功能各异,而且对生物个体的生存和繁殖的贡献大小也不同,即必要性不同。根据基因对活的生物的必要性可将基因划分为必要基因和非必要基因。对必要基因的研究具有非常重大的生物学意义,有助于探讨生命起源之迷和为抗菌药物设计提供一些理论支持。三十年前Wilson等人提出,基因对生物个体的必要性不同,那么它们的进化速率也就不同,必要基因比非必要基因进化的慢。这也就是最近提出的所谓的“Knockout-rate”假说。至此,越来越多生物学家关注于这个预测的验证以及对基因的重要性和进化速率之间的关系的研究。尽管大多数的研究结果表明基因越重要进化速率越慢,但是一些证据还存在着一些争议,还有待进一步验证。进化速率与基因重要性的相关性很弱,不能作为判断基因重要性的标准,也不能去区分必要基因和非必要基因。所以,为了更全面的理解必要基因的进化机制,本研究调查了必要基因和非必要基因的一些特征,进而也为从分子进化上区分必要基因和非必要基因提供了基础。大肠杆菌是一种首选的模式生物,被广泛地进行研究,它还为遗传学、生物化学、分子生物学以及分子进化等方面提供了一个很好的研究平台。本研究通过分析大肠杆菌的必要基因和非必要基因之间的进化保守性﹑蛋白质长度分布﹑氨基酸偏好性以及功能,获得了以下一些结论和新的见解:(1)在细菌界中,必要基因比非必要基因在进化过程中更加保守,验证了前人提出的所谓的“Knockout-rate”假说。(2)大肠杆菌的必要基因在短的蛋白质序列区域(﹤139个氨基酸)和长的蛋白质序列区域(﹥534个氨基酸)的分布比率比非必要基因的高;而非必要基因在中等长度的蛋白质序列区域分布比率较必要基因的高。(3)在大肠杆菌的必要基因和非必要基因中,氨基酸偏好性的总体趋势很相似,但是依然存在着显著的统计学差异。(4) 16种氨基酸在必要基因和非必要基因中的使用频率存在显著的差异,其中5种——天门冬氨酸(D)﹑谷氨酸(E)﹑赖氨酸(K)﹑精氨酸(R)和缬氨酸(V)更加偏向于必要基因,而且这5种氨基酸大多数在两类基因中均为偏好氨基酸(频率﹥5%)。(5)除缬氨酸(V)外,其他四种更加偏向于必要基因的氨基酸均为带电荷氨基酸;反过来,除了组氨酸(H)外,其他所有的带电荷氨基酸均偏向于必要基因,而且都是偏好氨基酸。(6)芳香族氨基酸——苯丙氨酸(F)﹑色氨酸(W)和酪氨酸(Y)在必要基因和非必要基因中的频率都偏低(﹤5%),但在两类基因中存在着显著差异,都更加偏向于非必要基因。