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信号传导类GTPase蛋白Rnd1、Rnd2、Rnd3是最近发现的一类新型Rho GTPase,具有与其它Rho GTPase不同的显著特性,它们与GDP结合能力非常弱且不具有GTP水解活性。研究揭示Rnd1主要参与细胞骨架重组从而调节神经树突的生长和分化,但最近Rnd1也被发现在血管内皮细胞炎症和胃癌非正常表达。Rnd1通过与多种蛋白结合而实现不同功能,其中与plexinB1跨膜受体蛋白的结合最受关注,是首个被报道的GTPase与跨膜受体蛋白膜内区的直接作用之一。Rnd1通过与plexinB1的相互作用,参与信号素Sema3D的信号传导,并激发plexinB1对下游蛋白R-Ras的活性。近年研究表明该信号传导通路与癌症密切相关,Sema4D和plexinB1已经被证实在多种癌症细胞中非正常表达或者突变,而其中plexinB1多个频发性突变位点都位于Rnd1所结合的RBD (Rho GTPase binding domain)区。蛋白质结构对于揭示蛋白质的功能和作用机制至关重要。核磁共振(NMR)和晶体衍射(X-Ray)是研究蛋白质结构和动力学的两种主要而互补的方法。相对于X-Ray, NMR可以用于确定蛋白质在溶液中的构象,无需对蛋白质结晶且更接近于真实生物体系。同时NMR对于研究蛋白质的动力学行为具有独特优势：不仅能有效测定分子纳秒、微妙、毫秒、秒等不同时间数量级的动力学特征,更能测定分子内特定氨基酸、特定基团的运动。本论文主要应用NMR方法,对Rnd1的溶液结构及与plexinB1RBD相互作用过程中的构象和动力学变化进行了研究。(1)首先针对蛋白质溶解度差和稳定性低等问题,进行了多种溶液条件优化,并结合定点突变措施,显著提高了蛋白质的稳定性和溶解度,并改善了谱图质量。(2)采用同位素标记技术,以及对部分氨基酸进行选择性15N标记,通过多个蛋白质主链NMR归属多维NMR谱图,结合三维NOESY实验,归属了蛋白质共196个残基中的127个氨基酸。分析归属所获得的化学位移值,获得蛋白质的结构信息,并与Rnd1晶体结构进行比较,两种结构总体上一致,但是在局部区域存在着不同之处。(3)基于Rndl的NMR信号归属和结构分析,研究了Rnd1和plexinB1RBD作用过程中的构象变化和动力学变化,构象变化分析结果表明,两种蛋白质在结合之后保持整体构象不变,但是局部区域受到明显扰动,动力学分析结果表明不同区域的动力学变化具有补偿性特征。Rnd1的构象和动力学变化特征都与其‘"hinge"区密切相关。此外Rnd1和Rac1在与plexinB1RBD相互作用时具有许多相同性质,包括它们与plexinB1RBD作用时的主要结合区域,以及作用过程中的动力学变化特征。(4)基于Rnd1结构及其与plexinB1相互作用的研究结果,应用计算机模拟药物设计方法,初步筛选出一批具有潜在活性的化合物。同时测定了现有的Rac1抑制剂与Rnd1的结合能力,以及对Rnd1与plexinB1RBD结合的抑制作用,结果初步显示NSC23766对Rnd1有一定结合能力。以上对于Rnd1NMR信号的归属和结构分析,为Rnd1的其它NMR研究,尤其是Rnd1与其它蛋白的相互作用奠定了坚实基础,对于其它Rho GTPase研究具有借鉴意义；对于Rnd1与plexinB1的相互作用研究,不仅揭示了蛋白的相互作用机制,对于以Rnd1和plexinB1RBD为靶标的药物设计具有直接指导意义；所获得的初步药物设计结果,将更进一步促进后续的药物开发。