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蛋白质蛋白质相互作用(PPIs,Protein-Protein Interactions)是蛋白质行使其功能的主要方式,不同类型的蛋白质相互作用行使的功能也不尽相同。在生理条件下,蛋白质相互作用以一种动态平衡的形式存在,解离常数数值(KD,Dissociation Constant)通常被用来表征蛋白质相互作用的强度。结构生物学按照相互作用的强度可以将蛋白质相互作用分为稳态相互作用(Stable Interaction)和瞬态相互作用(Transient Interaction),前者的相互作用强度数值KD范围在皮摩尔到微摩尔之间,后者的相互作用强度KD在微摩尔到毫摩尔之间。而基本上蛋白质之间瞬态相互作用即可以认为是弱蛋白质相互作用。传统结构生物学的焦点都集中在稳态蛋白质相互作用,而对于弱蛋白质相互作用复合体的结构和功能的研究则由于技术的限制,相关研究进展缓慢,对于不同体系弱蛋白质相互作用的结构以及如何行使对应的功能都还有待进一步的研究。在结构生物学的研究中,液体核磁共振技术(Solution Nuclear Magnetic Resonance)因为其接近天然的实验条件和方法多样性而被广泛运用。不同的核磁共振方法能够提供蛋白质相互作用复合体不同的距离、角度和取向的信息、。区别于晶体X光衍射和冷冻电子显微镜的方法,液体核磁共振研究的蛋白质相互作用体系存在于液体环境,因而更有利于捕捉到瞬态或是更弱的蛋白质相互作用的信息。液体核磁共振方法中,顺磁弛豫增强(PRE, Paramagnetic Relaxation Enhancement)技术能够提供长程距离信息用于蛋白质复合体结构的研究,由于该方法对于距离的变化反应灵敏,能够表征蛋白质复合体低分布的瞬态构象甚至极弱相互作用的构象；横向弛豫扩散技术(TRD, Transverse Relaxation Dispersion)能够提供蛋白质单体与复合体之间的交换速率以及单体和复合体在混合体系中所占有的比例,这些信息都是研究蛋白质相互作用复合体的重要参数。因此,本论文基于液体核磁共振的研究方法辅助以其它生物物理和生物化学的方法对于三个不同类型蛋白质弱相互作用体系的结构和功能进行了系统的研究。三个体系包括：大肠杆菌磷酸转移酶系统中控制葡萄糖摄入的磷酸酶I(EI,Enzyme I)和磷酸酶Ⅱ(EIIAlc)之间极弱相互作用,HIV-1病毒中衣壳蛋白碳端结构域同源二聚瞬态相互作用以及HW-1病毒中SPl结构域同源寡聚瞬态相互作用。第一个体系：关于极弱蛋白相互作用。我们的研究运用顺磁弛豫增强的方法,首次观测磷酸化信号传递过程中蛋白质EI与EIIAG1c之间的强度为25mM左右的极弱相互作用。通过这种极弱的蛋白质相互作用EI能够直接将磷酸基团传递给蛋白质EIIAG1c,完成磷酸化信号传递。同时,运用顺磁弛豫增强方法提供的分子间长程的距离约束,我们成功获得了该极弱蛋白质相互作用复合体的原子分辨率的结构,并揭示了该极弱相互作用存在的物理基础—疏水相互作用和静电排斥作用的折衷。通过分子动力学模拟的方法表征了极弱相互作用复合体的解离过程,并首次定义了这种结合强度在1mM以上的蛋白质相互作用为Fleeting Interaction。最后运用数学建模的方法,进一步阐明了极弱相互作用在信号传递过程中的意义：在蛋白质浓度相对较高的环境中,这种极弱相互作用能够更加快速地进行信号传递。这一研究,开拓了人们对于极弱相互作用研究的认识,为以后蛋白质之间极弱相互作用的研究铺平了道路。第二个体系：关于蛋白质同源二聚弱相互作用。我们的研究基于液体核磁共振探究了衣壳蛋白碳端结构域的同源二聚相互作用在HW-1病毒成熟过程中所扮演的角色。我们的结果显示,衣壳蛋白碳端结构域内一对保守的半胱氨酸在病毒成熟过程中能够被氧化形成分子二硫键。分子内二硫键的形成改变了衣壳蛋白碳端结构域同源二聚体相对朝向的角度,并且通过小角X光散射的方法我们首次发现衣壳蛋白碳端结构域同源二聚体朝向的改变直接引起了衣壳蛋白同源二聚体四级结构由闭合的构象变为更为张开的构象。而根据我们合作者的结果,新生HW-1病毒在还原性条件下,阻断衣壳蛋白碳端域的氧化过程,不能够形成纺锤体形状的衣壳结构,并且病毒没有感染性。这一研究,可能提出了全新的HIV-1病毒成熟中衣壳变构的分子机制。第三个体系：关于蛋白质同源寡聚弱相互作用。最后,我们进一步运用液体核磁共振的方法探究了HIV-1病毒中SPl结构域的同源寡聚相互作用复合体的结构和功能,该小肽连接于衣壳蛋白碳端,在HIV-1病毒成熟过程中会被切除。初步的研究结果表明,SP1结构域在溶液中呈现无规卷曲的结构；以单体二聚体的形式存在,相互作用强度0.67+0.16mM,并获得了寡聚作用的大致相互作用界面；这种寡聚作用不会影响衣壳蛋白同源二聚相互作用的强度,衣壳蛋白的存在会减弱SP1的寡聚相互作用强度。综上所述,本论文基于液体核磁共振的方法,对于三个不同类型的蛋白质弱相互作用的结构和功能进行了研究,发展了一套适用于蛋白质极弱相互作用的结构和功能研究的方法体系,发现了HIV-1病毒成熟过程中衣壳结构由球体变为椭球体重构的可能的分子机制,阐明了HIV-1病毒SP1结构域的同源寡聚相互作用,丰富了蛋白质弱相互作用这一领域的研究内容,为以后研究蛋白质弱相互作用的结构和功能提供了良好的基础。