细胞是生命的基本单位,也是生物大分子发挥生物功能的主要场所。细胞的环境极其复杂,它内部的体积排阻和化学弱相互作用时刻影响着生物大分子的状态变化和功能发挥。细胞内核磁共振(In-cellNMR)可以在活细胞内获得原子水平分辨的生物大分子结构动态信息,帮助人们了解细胞环境对于生物大分子结构和功能的影响。本文主要运用In-cell NMR方法,使用19F作为生物大分子的原子探针,对细胞内的蛋白质化学修饰、蛋白质相互作用以及核酸G-四链体稳定性及相互作用展开研究,具体内容如下:In-cell NMR方法研究细胞内α-突触核蛋白的磷酸化修饰及其降解蛋白质在细胞内会发生广泛的化学修饰,磷酸化是其中一种十分常见且重要的修饰类型。现阶段,在活细胞内对蛋白质磷酸化进行直接、实时的观测仍然存在困难。本文通过In-cell NMR方法实现了细胞内蛋白质磷酸化的实时监测,并开展磷酸化修饰对蛋白质稳定性影响的研究。通过选用帕金森症相关的129位磷酸化α-突触核蛋白作为研究模型,对其在细胞内的去磷酸化过程进行跟踪研究,发现该蛋白质在细胞内会快速去磷酸化,并且129位磷酸化修饰会加快α-突触核蛋白质降解。本文的研究表明,In-cell NMR可以很好的应用于活细胞内蛋白质磷酸化修饰的研究,能实时跟踪磷酸化修饰对蛋白质命运的影响,为细胞内蛋白质修饰研究提供互补的新思路及新方法。In-cell NMR方法研究细胞环境对蛋白质相互作用的调控蛋白质相互作用是多个蛋白质协同合作,发挥功能并完成生理过程的重要前提。已有研究表明,模拟细胞环境如拥挤试剂、高浓度蛋白质及细胞裂解液都会对蛋白质相互作用产生影响。但真实细胞内复杂的拥挤环境会对蛋白质相互作用产生怎样的影响,目前仍然未知。本文使用19F in-cell NMR实现了在活细胞内对蛋白质二聚相互作用的定量表征。通过比较A34F GB1(GB1突变体形成的一种简单二聚体)在稀溶液和细胞内的变化,结果发现该蛋白在细胞环境中二聚能力大大增强,解离常数减少了六倍以上。在稀溶液中,A34FGB1的二聚体相互作用强弱会受到其蛋白质表面电荷的影响,而这种电荷造成的影响在细胞内会被削弱。进一步对带有不同电荷的蛋白质二聚体在不同环境中的吉布斯自由能变化的研究表明,细胞内环境与蛋白质二聚体之间的负电荷斥力,在稳定A34FGB1蛋白质相互作用上起着重要作用。本研究的结果显示,细胞内复杂的非特异性相互作用会对蛋白质的特异性相互作用产生重要影响。In-cell NMR方法研究细胞内G-四链体的稳定性及其与药物分子的相互作用G-四链体是一种非典型核酸结构,它被认为在端粒稳定性、基因的复制、重组、表达与调控等生理过程中起着重要的调节作用,而且与癌症等疾病的发生发展密切相关。体外研究表明,离子条件、大分子拥挤、相互作用等环境效应都会影响G-四链体结构,因而在更接近生理环境的细胞内原位研究G-四链体显得十分必要。本文首先对修饰人端粒片段MHT24、凝血酶结合适配体TBA和人血管内皮生长因子启动子hVEGFP三种G-四链体在生物体系中的稳定性进行探讨研究,分析了不同细胞类型、离子条件及相互作用等对G-四链体降解稳定性的影响。另外,我们借助19FIn-cell NMR方法,开展了非洲爪蟾卵母细胞内TMPyP4和360A两种药物配体小分子与MHT24的相互作用研究,结果表明复杂的细胞环境会改变甚至破坏G-四链体与药物配体小分子的相互作用,说明在细胞内原位研究核酸及其与药物相互作用的重要性。