GroEL-GroES是伴侣素研究的模型体系，也是大肠杆菌细胞内非常关键的一类分子伴侣。许多研究证实GroEL-GroES能够与多种易于聚集的蛋白结合，促使其正确折叠，然而这些研究绝大部分都是针对水溶性蛋白，GroEL-GroES体系辅助膜蛋白折叠，尤其是辅助G蛋白偶联受体（GPCRs）折叠的作用机理研究甚少。GPCRs具有七次跨膜螺旋的拓扑结构，作为生物膜功能的主要承担者，广泛调节体内各项生理过程，其折叠状态异常能够导致多种疾病。揭示GroEL-GroES在GPCRs翻译表达及折叠等方面的作用机理，阐明GPCRs折叠与功能性的关系及规律，在生物学和医学领域都具有重要的科学意义。但GroEL辅助GPCRs正确折叠的研究在各个环节都存在极大挑战性，这一领域待探索的问题还有很多，相关研究报道也很少。为了探索这些问题，本课题采用无细胞表达体系，进行了目标GPCRs的表达，考察了GroEL-GroES对目标GPCRs折叠的影响，研究了GroEL-GroES辅助GPCRs新生肽链折叠的作用机制。同时，采用七次跨膜蛋白的模式蛋白细菌视紫红质（BR）对所得到的GroEL-GroES辅助七次跨膜蛋白折叠的作用机理进行了验证。最后，基于七次跨膜蛋白的跨膜螺旋结构，采用目标GPCRs的七条跨膜肽段进一步阐述了GroEL与GPCRs的结合解离方式。
　　第2章中，确定人体趋化因子受体5号（CCR5）作为目标GPCR，采用大肠杆菌无细胞表达体系合成了CCR5，并直接在此体系中，研究了CCR5新生肽链的折叠情况以及GroEL-GroES对其翻译表达和折叠的影响。通过研究发现新生CCR5能够在无细胞表达体系中自发折叠成它的生物活性状态，但过程缓慢且低效；相比之下，加入GroEL能够使CCR5初生肽链功能性折叠的速率提高约36倍，收率提高约1.3倍，结构稳定性提高了约3.5倍，与配体结合的能力提高了约1倍。而且辅因子GroES在此过程中也非常重要，需要GroEL和GroES协同作用，才能更有效地促进CCR5的折叠。根据这部分实验研究，我们对GroEL-GroES辅助GPCRs折叠的模式进行了推测，并建立了GroEL-GroES辅助GPCRs折叠的机理模型。
　　第3章中，以C-X-C趋化因子受体CXCR4为模型，对GroEL-GroES在GPCRs功能性表达中的应用潜力和通用性作了进一步考察，研究了GroEL-GroES对CXCR4在大肠杆菌无细胞体系中表达的影响。加入GroEL-GroES后，大幅加速了新合成CXCR4的折叠过程，与自发折叠相比，折叠速率提高了约30倍，收率提高了约1.4倍。而且证实加入GroEL-GroES后，CXCR4的结构稳定性也得到了改善，生物活性提高了约1.4倍。CXCR4结构稳定性与配体亲和性的提高，都说明新生CXCR4在GroEL-GroES辅助下进行了更有效折叠。主伴侣素GroEL自身能够起到部分改善作用，但只有与其辅因子GroES协同作用，才能更有效地发挥其辅助折叠的功效。本研究所取得的结论和上述基于CCR5的研究结论趋于一致，该方法很可能有助于优化其它GPCRs的无细胞表达。同时，还用细菌视紫红质BR对得到的CCR5和CXCR4与GroEL的作用模式进行了验证，分析了GroEL-GroES对BR折叠结构的影响及机理。研究发现无论是天然态还是变性态BR，都能够不对称地与GroEL结合。但变性后的BR与GroEL的亲和性大幅提高，这是GroEL优先与变性态BR产生相互作用的基础，也部分解释了GroEL-GroES能够促进折叠反应的原因。而且ATP和GroES对GroEL调节BR的复折叠起着相反的作用。在ATP和GroES的共同辅助下，GroEL能够调节使BR的结合、解折叠、解离和复折叠过程重复循环进行。
　　第4章中，虽然前两章初步推测出GroEL辅助GPCRs新生肽链折叠的机制模型，但具体作用位点、结合比例以及底物释放过程等还需要研究探讨。为了进一步阐释GPCRs与GroEL的相互作用机理，本章采用荧光各向异性和等温量热滴定法探索了CXCR4的七条跨膜多肽分别与GroEL相互作用的动力学和热力学。通过采用跨膜螺旋模拟简化全长GPCRs的疏水残基片段，避免了CXCR4自身的折叠动力学与结合GroEL动力学之间的竞争影响。通过研究得到，每一条CXCR4的跨膜多肽都能够与GroEL产生较强的亲和力，结合位点位于GroEL顶端域的螺旋H和I上。GroEL最多能结合七个跨膜多肽分子，有意思的是单环的GroEL也可以容纳七个跨膜多肽分子，而且GroEL的双环是采取交替循环的方式来结合与释放底物分子。同时，ATP和GroES能够有效地促进多肽底物从GroEL腔内的解离释放。这些发现非常有助于我们理解GroEL与全长CXCR4蛋白相互作用的热力学和动力学特性，对阐述GroEL辅助膜蛋白折叠的机理至关重要。