糖尿病的死亡率仅次于心脑血管疾病和癌症,目前全球糖尿病患者高达到4亿人,而中国的糖尿病患者已经超过1亿人,成为名副其实糖尿病大国。如果能开发一种像胰岛素一样的内源蛋白来治疗糖尿病,将会给糖尿病患者带来福音。成纤维细胞生长因子21(FGF21)是近几年新发现的一种具有治疗糖尿病潜力的蛋白质,可以促进脂肪细胞吸收葡萄糖,改善胰岛β细胞功能和胰岛素抵抗,拥有比胰岛素更持久的降血糖效果,没有低血糖和癌症诱导的风险。但是在临床应用上存在血清稳定性低,半衰期短的限制。因此本论文针对FGF21的结构和药物设计展开研究。我们利用核磁共振方法解析了 FGF21核心区(FGF21core)的高分辨溶液核磁结构。研究中发现,FGF21的β2-β3区域具有第二种不稳定的构象,这种松散构象是造成FGF21不稳定性的主要原因。基于高分辨溶液核磁结构,我们在β2和β3上设计了一对二硫键,成功地将构象稳定在折叠构象。核磁共振化学位移扰动分析表明,β2和β3二硫键的形成,影响了 β1-β2之间的loop的构象,进而影响FGF21的活性。因此我们将拥有7个残基的loop替换成FGF19的8个残基,并通过细胞实验,动物实验验证了 FGF21突变体(FGF21-LG)的功能。我们发现FGF21-LG在低浓度时具有比野生型更显著的降血糖效果,并且拥有更长的血清半衰期。CD实验也证明了 FGF21-LG的热稳定性显著好于野生型。这些优点为它成为治疗糖尿病药物奠定了基础。此外,我们对FGF21与β-Klotho蛋白(KLB)和成纤维细胞生长因子受体1c(FGFR1c)相互作用机制进行了研究,我们通过昆虫表达系统表达出KLB和FGFR1c的胞外区,并利用MST测得了 FGF21与KLB的平衡解离常数Kd约为15.6 nM,KLB 和 FGFR1c Kd 约为 110nM,但是 FGF21 与 FGFR1c 的结合太弱无法获得相应的结合常数。我们还将全长的FGFR1c组装在一种新的类生物膜nanodisc体系,并通过酶活实验验证了组装的FGFR1c具有良好的生物活性,为后续的跨膜信号转导机制研究奠定了基础。本论文中的另一方面的研究内容是关于趋磁细菌AMB-1蛋白Mms6识别晶面机制的研究。Mms6蛋白在细胞内或细胞外,可以调控磁性纳米颗粒的形成,我们通过NMR滴定实验发现Mms6在滴定磁小体(Fe3O4)时其C端的DEEVE区域发生构象变化,同时其N端疏水区域的聚集对于C端的功能起到了很重要的作用。这项研究阐明了 Mms6识别晶面的分子机理,同时为在其它生物矿化体系中研究蛋白识别无机物晶体提供了理论指导。