碱基替换是形成基因组种间差异的主要原因之一,对其发生规律的研究有助于揭示部分表型变异的分子机制。碱基替换的发生依赖于邻近序列环境,这种依赖性一般反映在邻近位点碱基组成的特异性。3碱基周期是蛋白质编码序列的内在特征,然而3碱基周期的形成原因还存在争议,尚缺少探查碱基替换及其邻近序列对3碱基周期影响的系统研究。本研究分析了18个物种66,105条基因序列内的980,932个碱基替换以及相应侧翼序列特征,比较了基因与CpG岛的碱基替换模式的差异,揭示了不同物种、不同基因区域、不同类型的碱基替换侧翼序列模式,探索了碱基替换对3碱基周期稳定性的影响。在此基础上阐明了3碱基周期的形成原因,为研究基因变异规律和设计建立在周期信号基础上的基因预测软件,提供了重要理论依据与数据资料。本研究应用相对熵（Kullback-Leibler距离）的原理与方法,分析了基因序列中的碱基组成,发现基因中的相对熵值呈现以3个碱基为单位的周期性分布,波峰位于以3为倍数的位点（3n）,即密码子第三位碱基上,波谷位于3n-1位点,即密码子第二位碱基上。在碱基替换位点附近,3碱基周期受到干扰,一般+1和-1位点的相对熵值显著高于期望值（P<0.001）。为了量化3碱基周期的特性,本研究提出了一个模拟相对熵周期变化的正弦模型,通过正弦参数形式确定了3碱基周期的波长、振幅、波峰与波谷的位置,以及周期信号的规律性,发现离替换位点越远,波长为3的正弦函数对相对熵值周期信号的拟合效果越理想。碱基替换位点附近的相对熵值显著高于期望值的事实,反映了替换邻近位点碱基组成的特异性。这种特异性正是碱基替换发生的条件,但该特异性一般仅限于+2到-2位点之间。碱基替换侧翼序列模式在不同物种内表现不同,亲缘关系较近的物种之间表现相似,亲缘关系较远的物种之间存在差异。即使在同一物种内,不同类型的碱基替换,不密码子位置上发生的碱基替换,其侧翼序列的模式也不同。因而,碱基替换侧翼序列模式具有种属特异性和基因组区域特异性。为了研究3碱基周期形成的主要原因,本研究建立了两种对照样本。密码子随机重排对照样本和原始序列样本的密码子使用频率完全一致,如果周期仅由密码子使用频率决定,则二者的周期性应完全相同。然而二者周期存在明显差异,因而可以判定密码子使用频率不是决定3碱基周期的唯一原因。密码子特定的排列顺序是二者之间的主要差异,并且密码子顺序具有特定的生物学意义,说明密码子顺序对周期的形成具有一定作用。同义密码子随机交换的对照试验不改变蛋白质序列的天然结构,仅改变密码子第三位碱基的组成,建立了密码子兼并性与3碱基周期的联系,揭示了原始序列密码子第三位碱基组成不均匀性是3碱基周期形成的主要原因。CpG岛序列与基因序列在进化上的异同点是本研究关注点之一。在基因中CG→TG和CG→CA的相对替换率均在20%以上,而在CpG岛内CG→TG和CG→CA的相对替换率却在5.5%以下,说明CpG高突变效应在基因内较为明显,但在CpG岛内受抑制。CpG岛内GC含量的进化趋于平衡。CpG岛内的碱基替换侧翼序列中相对熵值不呈现周期现象,相对熵值沿碱基位点基本呈现直线状态。本研究建立了一个有效的研究碱基替换邻近序列中周期模式的方法,揭示了碱基替换侧翼序列模式。3碱基周期是特定密码子顺序的结果,周期长度为3个碱基是由同义密码子第三位碱基组成偏好所致。