小热激蛋白是分子伴侣中的超级家族,几乎存在于所有生物体和多个细胞组织中。在压力条件下,小热激蛋白能够结合并抑制变性客户蛋白的聚集和沉淀而发挥重要的作用。生物体在缺失小热激蛋白的分子伴侣功能后会对环境压力如热,低氧,酸或碱等变得敏感。人源中的小热激蛋白的功能缺失会导致自身免疫性疾病,神经变性紊乱,白内障等多重疾病的发生。但是关于小热激蛋白在压力条件下与客户蛋白的相互作用机制以及使细胞耐受压力的机制,我们知之甚少。越来越多的研究表明大约由25个氨基酸组成的N末端对小热激蛋白与底物的结合非常关键,但是具体的底物的结合机制以及相关的分子伴侣活性调节机制仍然没有研究透彻。关于N末端怎么能够适应大小,形状,表面疏水和带电性等各异的不同种类的变性客户蛋白一直难以解释清楚。由于变性的客户蛋白是多相的且没有确定的三维结构,很难直接研究小热激蛋白与客户蛋白的复合物结构,因此,到目前为止,也还没有获得过N末端清晰可见且处于活性状态的小热激蛋白的三维结构。本论文以硫矿硫化叶菌(Sulfolobus solfatataricus P2)来源的小热激蛋白HSP14.1为研究对象,以结构研究为基础,并结合体内体外功能实验,验证分析N末端的构象变化以适配非活性客户蛋白的分子机制。我们解析了Hsp14.1的野生型以及突变体A102D和Del-C4的三维结构,三个结构都有完整而清晰的N末端,但是N末端的构象却有很大的差异。野生型的N末端呈现为直的螺旋,但是突变体的N末端螺旋却发生了严重的扭结与破坏。扭结与破坏的螺旋形成了一个疏水口袋似乎能够识别未折叠的客户蛋白。随后,功能上的突变研究表明对这个疏水口袋的关键氨基酸突变会影响宿主菌在热压力下的存活率。通过结构对比分析,发现直的N末端螺旋不能形成疏水口袋。野生型和突变体的N末端的结构差异表明N末端存在一个分子开关能够使Hsp14.1从静息状态转变到活性状态。同样的机制可能应用到同家族的其它小热激蛋白中。基于结构数据,普遍认为依靠β6链存在与否的二聚化模式可以区分后生动物和非后生动物的小热激蛋白。本研究中解析的硫矿硫化叶菌Hsp20.1 ACD二聚体结构却展示了一个完全不同的二聚体界面。我们发现,虽然没有β6链,Hsp20.1 ACD二聚体既没有像后生动物的小热激蛋白那样依靠β7链形成二聚体界面,也没有解聚成单体。这与所有已报道的小热激蛋白的结构不同。Hsp20.1 ACD二聚体结构揭示了一个可变的,高度极性的二聚体界面,有利于快速地进行亚基交换和底物识别。有趣的是,我们发现Hsp20.1的C末端突变体尽管不能形成多聚体结构,但仍然具有分子伴侣活性。进一步的突变研究表明N末端对Hsp20.1多聚体和二聚体的底物结合很关键。另外,有大量研究表明小热激蛋白在热压力下能够通过抑制聚集来保护细胞,但是关于酸压力下小热激蛋白对细胞的保护功能却不见报道。在本研究中,我们发现Hsp20.1和Hsp14.1多聚体在低p H条件下能够发生解离,甚至呈现二聚体和单体,仍然有分子伴侣活性。而它们在50°C条件下却没有显著的四级结构改变,但也有抑制底物聚集的能力。这些结果表明小热激蛋白在不同的压力条件下可能有不同的发挥功能的模式。