整合型膜蛋白是最主要的膜蛋白(membrane proteins,即MPs)超家族,在细胞的信号转导、物质交换和能量转移等生理活动中发挥着重要作用。合适的化学小分子工具对于获取膜蛋白的结构信息、阐明细胞的信号传导机制以及促进新药研发等方面具有重要意义。本论文通过开发化学工具小分子来助力整合型膜蛋白的结构解析、机制研究以及药物开发。具体的研究内容包括以下三部分:第一部分:开发化学可断裂去垢剂(chemically cleavable detergetns,CCDs)用于膜蛋白类膜系统的置换。膜蛋白样品的制备一直是限制膜蛋白结构和功能研究的瓶颈问题。去垢剂置换是制备适用于体外表征的膜蛋白样品的常用方法。传统的去垢剂物理置换方法常会伴有去垢剂置换不完全的问题,进而可能干扰后续的膜蛋白的结构和功能研究。在本章节中,我们开发了一种化学可断裂的去垢剂小分子,它不仅具有与传统去垢剂相当的溶膜和稳定蛋白能力,而且在合适刺激下可以原位降解。利用此类去垢剂自身可降解的性质,目标蛋白可以快速、高效、彻底地重组到新的类膜系统中。这种新的化学置换方法弥补了传统物理置换方法的不足,为膜蛋白的体外重组提供了新方案,有利于统筹膜蛋白各研究阶段和表征技术对类膜系统的复杂要求,从而促进膜蛋白的结构和功能研究。第二部分:发展新型二硫键去垢剂(disulfide-containing detergents,DCD)推动膜蛋白液相核磁共振研究。去垢剂是膜蛋白研究中不可或缺的研究工具。然而,目前可供选择的商业化去垢剂的种类有限,很难同时满足多种膜蛋白体系和不同研究手段的要求。本章节我们发展的DCDs利用二硫键独特的二面角性质,不仅具有与传统去垢剂相当的溶膜和稳定膜蛋白的能力,而且倾向于形成更小的体积的胶束。这些性质使该类去垢剂在膜蛋白的液相核磁共振研究中表现出巨大的应用潜力。另外,我们在此章节中讨论了去垢剂疏水链上弯折点的位置对于去垢剂性质的影响,为新型去垢剂的设计与开发提供了新的思路和指导。第三部分:开发荧光开关探针用于特异性标记平滑受体(Smoothened receptor,SMO)。对膜蛋白的特异性标记是研究它们的分布、动力学行为和生物学功能的重要手段。在本章节,我们基于近年SMO的结构生物学研究成果,设计并表征了一组亲和性探针可以特异性荧光标记在SMO的K395的残基上。优化的探针被证明可以快速且高选择性地标记重组在胶束环境中及生物膜上的SMO蛋白。特别的,标记后的SMO蛋白只有一个很小且不占据结合口袋的荧光基团。这些性质使得这个探针有可能可以应用于探索SMO在初级纤毛上动态运输的过程,帮助人们理解Hedgehog通路的激活机制和应用于相关肿瘤的诊断。