蛋白质分子的骨架由相邻氨基酸之间形成的肽键维系,肽键可以采取顺式或反式两种构象。反式构象由于在能量上远比顺式构象稳定,因此为肽键的主要构象。脯氨酸由于侧链上五元杂环的空间位阻效应,使得其可以采取一定比例的顺式构象。脯氨酸的顺反异构对蛋白质分子发挥其生物学功能至关重要,但是由于脯氨酸顺反构象之间的活化能势垒很高,在生理条件下,它们之间的转换速率很低,因此需要肽基脯氨酰基顺反异构酶(PPIase)的催化加速其顺反异构速率。Pin1(Peptidy1-proy1 cis-trans isomerase NIMA-interactiing 1)是PPIase家族中的一员,与家族中其他的成员不同,Pin1只特异性地识别包含pS-P或pT-P序列的底物,它参与减数分裂、泛素化、基因表达和淀粉样前体蛋白剪切等多种生理过程,与癌症和神经退行性疾病两类重大疾病的发生密切相关。因此,Pin1结构、动力学与功能的研究对揭示其催化机制以及调控其异构酶活性有着重要的意义。本文利用化学位移相关分析的方法,结合溶液小角X射线散射技术精确定量了Pin1在溶液中紧凑态(29%)和伸展态(71%)的比例,这种方法同样适用于其他多结构域蛋白体系。同时,本论文研究还提供了一种新颖的基于蛋白-配体相互作用的策略,可以用于稳定多结构域蛋白的紧凑态或者调控其结构域间的动力学行为。多结构域蛋白的结构域间的相对运动往往对其功能十分重要,因此其构象动态的调控有利于结构、动态与功能的研究。多结构域蛋白的结构域之间通常由一段柔性区域连接,使得结构域间可以发生相对运动。因此,结构域间的柔性区域可能对多结构域蛋白发挥其功能十分重要。在表征了 Pin1的系综分布后,本文通过编辑结构域间柔性区域长度的方法来调控Pin1的系综分布,进一步研究了结构域间紧凑程度与酶活之间的关系。研究发现,Pin1结构域之间的接触程度与酶活并不存在简单的相关性,适当的增加或者减弱结构域之间的接触程度都可以增加其酶活;通过CPMG弛豫弥散实验我们发现结构域之间的接触可以改变催化活性中心毫秒尺度的动力学行为。本文进一步研究了不同结构域接触程度下Pin1底物结合结构域WW对底物的亲和力,发现不同的底物对Pin1两态的结合偏好性不同,这使得Pin1的WW结构域结合不同的底物后可以增加或者减少结构域之间的接触程度,从而使得催化结构域的活性升高,这表明WW结构域结合底物与催化结构域PPIase催化底物异构之间存在正协同效应。蛋白质分子的激发态或“隐态”往往对其发挥功能至关重要,但却由于比例较低而难以被其它结构生物学手段捕捉,核磁共振技术是研究蛋白质激发态的最强有力的手段。通过CPMG弛豫弥散技术,我们发现Pinl的WW结构域在溶液中存在至少两种激发态构象,并且WW结构域的激发态对底物具有更高的亲和力,因此WW结构域可能主要采取构象选择的机制识别底物蛋白。综上所述,本文通过结合溶液核磁共振和小角X射线散射技术研究了 Pin1的多时间和空间尺度下的动力学行为,包括Pin1结构域间的相对运动、PPIase催化活性中心的毫秒尺度运动和WW结构域的激发态研究,发现这些构象的动态变化与其别构、催化和结合底物密切相关。本论文的研究为Pim1别构药物的设计和调控多结构域蛋白的动力学行为提供了新的思路和方法。