双链DNA病毒的组装、成熟以及基因组的释放等过程一直备受分子生物学家的关注。如何利用结构生物学方法来解析病毒生命过程中不同状态下的三维结构,特别是原子结构,对生命科学的基础研究和应用具有非常重要的意义。本课题旨在发展冷冻电镜对称失配三维重构新方法和程序,并应用其解析噬菌体病毒不同状态下的原子结构,进而阐明其组装和释放的分子机制。噬菌体T7病毒颗粒分子量巨大,难以生长成晶体,因此冷冻电镜单颗粒技术成为解析其三维结构最佳手段。相对于高对称性的病毒头部衣壳蛋白而言,噬菌体病毒颗粒非二十面体对称蛋白的解决方案欠缺,这主要是由于在解析二十面体对称衣壳蛋白时强加的对称性使得非二十面体对称蛋白的信息被掩盖。要解析噬菌体T7对称失配完整颗粒三维结构,重构方法是关键。传统的二十面体对称病毒三维重构算法已发展比较成熟,近年来非二十面体对称三维重构的理论与算法研究也有了较快进步,特别是局部重构算法的提出使得非二十面体对称蛋白的研究变得极为便利。本论文从方法学研究入手,提出了一种对称失配重构的新方法并将局部重构算法加以利用,最终利用新方法和程序得到了噬菌体T7病毒颗粒包装态、成熟态、释放空心态和释放实心态四种状态下的对称失配及非二十面体对称蛋白的近原子分辨结构,提出了基于结构的噬菌体T7组装及DNA释放机制。本课题的主要工作如下:1)提出了系列冷冻电镜对称失配三维重构的新方法,并基于新方法编写了大规模计算程序包。新方法和程序包括了二十面体重构、非对称重构初始模型的产生、对称失配重构和局部重构四个部分。新算法和程序可从头开始实现病毒近原子分辨对称失配重构。2)制备了噬菌体T7包装态样品,并收集了高分辨冷冻电镜数据。利用新方法和程序解析了包装态对称失配完整病毒颗粒15?分辨率的三维结构、6?分辨率的核心蛋白三维结构及4.9?分辨率的门户蛋白三维结构,并构建了门户蛋白全原子结构模型。3)制备了噬菌体T7成熟态样品,并收集了高分辨冷冻电镜数据。利用新方法和程序解析了成熟态对称失配完整颗粒7.0?分辨率的三维结构、3.8?分辨率的核心蛋白、门户蛋白、尾部蛋白和尾丝蛋白N端的三维结构,并构建了这些蛋白的全原子结构模型。4)制备了噬菌体T7释放态样品,样品包括实心和空心两种状态,并收集了大量冷冻电镜数据。利用新算法和程序分别解析了释放实心态和空心态对称失配完整颗粒10?和15?分辨率的三维结构、空心态4.5?左右分辨率的门户蛋白、尾部蛋白以及尾丝蛋白N端的三维结构,并构建了全原子结构模型。5)根据四种状态的结构,发现了不同状态下尾部蛋白、门户蛋白精确的构象变化,特别是核心蛋白gp14、gp15、gp16在成熟态和释放态位置的变化,提出了噬菌体T7组装、DNA释放的分子机制,为噬菌体及其他相关病毒结构与功能研究提供丰富的结构信息。