蛋白质结构与功能的探索是生命科学最重要的研究领域之一,对蛋白质三维结构的精确测定有助于在分子水平上深入了解生命过程,同时也将极大地推进药理学和药物设计的发展。在蛋白质晶体学中,直接法最初被应用于确定重原子坐标以及从头测定原子分辨率的蛋白结构。而通过将直接法与其他结构分析方法相结合,可以在蛋白质晶体学中开创出更多新的应用。基于此点,本研究论文系统探索了直接法在低分辨蛋白质结构解析方面的几项新应用。在双空间迭代的计算框架下,通过将直接法同多种解析方法结合,作者相继完成了:(1)多套弱信号的单波长反常散射(SAD)数据的自动化解析;(2)提出直接法辅助的MAD/MIR相位推演双空间迭代方法,并利用直接法成功实现了低分辨相位向高分辨母体数据的自动化扩展和优化(6.9埃到2.8埃和6.8埃到3.0埃);(3)实现了低分辨膜蛋白晶体结构的从头测定和自动化建模,并提出一套完整的结构解析方案。本论文分为6个章节的内容,其中第一、二章是对蛋白质晶体学和直接法相关的基础知识的阐述。第三、四、五章则依次介绍了直接法在弱反常散射信号、低分辨蛋白质晶体结构解析方面的相关研究及重要应用。第一章:引言。主要介绍了蛋白质晶体学的发展历程、蛋白质的三维结构、蛋白质晶体结构测定的一般步骤,最后详细列举了三种常见的结构分析方法。第二章:介绍直接法在蛋白质晶体学领域已有的研究及应用。这些应用包括直接法与常规的单波长反常散射法和单对同晶置换法(SAD/SIR)相结合成功破除相位双解,以及在此基础上发展的直接法SAD/SIR相位推演及碎片扩展双空间迭代和直接法辅助的部分结构扩展双空间迭代。以上应用逐步整合成一条自动化的蛋白质结构解析流水线IPCAS,并于2018年发布了其2.0新版本。第三章:16套弱反常散射信号SAD数据在IPCAS中的自动化测定。单波长反常散射法是蛋白质晶体结构解析的主流方法,但该技术存在相位模糊的问题,如果数据中反常散射信号微弱,通常就更难以获取准确相位和精确结构。而本章的研究工作将16套弱反常散射信号的SAD数据在IPCAS流水线中进行逐个解析并取得了理想结果。在相同条件下的对比试验中,IPCAS的解析结果要好于国际上流行的两个晶体学结构解析程序包PHENIX和CRANK2。第四章:直接法MAD/MIR相位推演双空间迭代以及低分辨相位扩展。多波长反常散射法和多对同晶置换法(MAD/MIR)都是低分辨蛋白质晶体结构测定的有效工具。作者在本章提出了直接法MAD/MIR相位推演双空间迭代,经试验证明能够在传统MAD/MIR方法基础上有效提高低分辨相位的质量,并利用直接法成功完成了低分辨相位向高分辨母体数据的自动化扩展(6.9埃到2.8埃和6.8埃到3.0埃)。第五章:低分辨膜蛋白结构的从头测定和自动化建模。膜蛋白三维结构的精确解析在结构生物学和药理学上都具有重要意义。以直接法双空间迭代为基础,作者在低分辨膜蛋白数据的相位推演和自动化建模方面进行了新方法和新策略的探索,并最终提出一套完整的结构解析方案。方法的创新体现在以下3点:(i)利用分辨率扫描先验搜索非晶体学对称性(NCS);(ii)交替建模策略;(iii)直接法双空间迭代框架内的模型和相位的合并与反馈。作者通过成功解析4套具有挑战性的低分辨(最低4.5埃)膜蛋白数据,证明了此方法的可行性以及潜在的广泛应用价值。第六章:结论与展望。