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G蛋白偶联受体（G protein coupled receptors,GPCRs）是细胞膜表面最大的受体家族,可以被细胞外多种多样的配体激活,例如生物胺、肽、神经递质、离子、脂类等,参与人体内心血管、免疫和神经系统等的调节。GPCRs是多种疾病诊断及治疗的重要靶点,目前已经上市的药物中大约50%是以GPCRs为靶标,其中很多都是全球销量排名前100的药物。因此对GPCRs结构与功能的研究,能够为疾病的诊断及治疗提供重要依据。本论文从三方面研究GPCRs的结构功能关系:1)糖基化对于β2肾上腺素受体（β2 adrenergic receptor,β2AR）功能的影响;2)GPCRs中保守二硫键动态性的研究;3)偏向性配体作用下β1肾上腺素受体（β1 adrenergic receptor,β1AR）与β-阻遏蛋白（arrestin）1相互作用的分子机制研究。对于GPCRs来说,N-糖基化是一种普遍存在的翻译后修饰。然而N-糖基化调控受体功能的机制仍然是不清楚的。β2AR上存在三个糖基化位点:N端的Asn6和Asn15,胞外第二个loop（extracellular loop 2,ECL2）上的Asn187。我们结合定点突变、糖苷酶酶切、cAMP检测、共价交联、免疫共沉淀和Tag-lite等实验方法研究糖基化对于β2AR功能的影响。我们发现,去除ECL2上的糖基化不会显著影响β2AR在细胞膜表面的表达以及受体的信号传导。N端的糖基化对于受体在细胞膜表面的表达也没有影响,但是去除Asn6和Asn15中任何一个位点的N-糖基化都会显著影响受体在异丙肾上腺素作用下对G蛋白信号通路的激活、对β-arrestin2的招募和受体内化。基于此现象,我们进一步了研究N-糖基化调节受体功能的机制。我们发现去除Asn6和Asn15上的糖基化使β2AR的二聚减少,但是去除Asn187上的糖基化对于受体的二聚没有显著影响,我们推测N-糖基化是通过影响受体二聚来调控受体功能的。为了证明这一猜想,我们重点关注了受体二聚界面处的关键残基Lys60和Glu338。双突变体K60A/E338A使受体二聚减少,并且表现出与N6Q和N15Q相似的功能,这些结果进一步证明了二聚对受体功能发挥的重要性。该研究对GPCRs的糖基化、二聚以及受体功能之间的关系提出了新的见解。在GPCRs家族成员中,约92%的受体TM3和ECL2之间存在一个保守的二硫键。在A家族GPCRs中,破坏保守二硫键会影响受体的结构和功能。在结合了激动剂的P2Y12受体晶体结构中,可以检测到这个保守二硫键;然而,在与拮抗剂结合的P2Y12受体结构中却没有发现这一保守二硫键,取而代之的是易分解的动态结构。基于此现象,我们对ECL2与TM3之间的二硫键是GPCRs的一个基本结构特征的观点提出质疑。目前已经有晶体结构表明在激活和抑制状态下GPCRs保守二硫键的形成情况。在与配体结合之前,GPCRs处于基础（apo）状态,目前这一状态下保守二硫键的特征很少被研究。由于apo状态的高度动态性,目前只有apo状态β1AR的晶体结构得到解析。Apoβ1AR中TM3与ECL2之间形成保守二硫键,但是在apo状态下其他GPCRs中该二硫键是否存在尚不确定。因此,我们利用分子动力学模拟和MTSEA-biotin特异标记的方法来研究apo状态下,P2Y12受体、β1AR和β2AR胞外侧保守二硫键是否形成。我们的实验结果表明,在apo状态下P2Y12受体和β2AR的胞外侧保守二硫键是断裂的;然而,β1AR的胞外侧的保守二硫键是稳定存在的。此外,我们的实验结果显示,在结合激动剂时,P2Y12受体和β2AR胞外侧二硫键是断裂的,这表明保守二硫键对这两个受体的激活可能是非必需的。我们的发现更新了对GPCRs胞外侧保守二硫键的认识,为GPCRs的结构功能关系研究提供了新的方向。β-arrestins可以调节大多数GPCRs的脱敏、内化和胞内运输。近来研究表明,偏向性配体作用于GPCRs后可以选择性地激活β-arrestin介导的信号传导,而不激活G蛋白信号通路。在临床研究中,偏向性配体表现出较少的副作用。因此,有关GPCR-arrestin的相互作用机制的研究,对于理解GPCRs配体的偏向性至关重要。我们选取β1AR和β-arrestin1为研究对象,采用二硫键共价交联的方法来研究β1AR与β-arrestin1的相互作用界面。实验结果表明,在偏向性配体卡维地洛作用下,β-arrestin1的Finger loop能够和β1AR的helix8发生交联;Middle loop能够与受体TM4和ICL1/2发生交联;C loop能够与受体TM5和ICL2发生交联。依据二硫键交联的实验结果,我们构建了在偏向性配体作用下,β1AR-β-arrestin1的复合物模型。该模型展示了可能的偏向性配体特异的作用方式,为我们理解β-arrestin依赖的信号传导提供了结构基础。