本文工作基于光镊单分子实验平台，以单分子力谱测量分析为手段，系统地研究了细胞信号转导中两对具有重要生理意义的蛋白质的相互作用，涉及发生在细胞膜外的受体/配体特异性识别以及发生在膜内的G-蛋白与下游激酶蛋白的特异性结合这两个生理过程。　　 对受体/配体的特异性识别研究以白细胞介素-6(IL-6)和表达大量白细胞介素-6受体(IL-6R)的U937细胞为模型，通过在活细胞表面开展in vivo单分子力谱测量实现。单分子力谱测量实验以直径5μm的羧基功能化聚苯乙烯微球作为手柄，IL-6分子通过共价偶联包被在手柄微球表面；U937细胞则被粘附固定在垂直放置于样品池中的盖玻片上。以光镊束缚手柄微球，操纵三维压电陶瓷台，令手柄微球细胞与固定细胞接触2-3秒，然后匀速拉开细胞，通过测量这一过程中手柄微球的位置变化，得到微球表面的IL-6与细胞表面的IL-6R结合的单分子力信息。在加载率为3100pN/s时，IL-6与活U937细胞表面的IL-6Ra结合的平均断裂力为42.1±11.7pN。又在加载率为620pN/s，1240pN/s，6200pN/s，12400pN/s的条件下，分别测量了IL-6与活15937细胞表面的IL-6Ra结合的平均断裂力。利用上述结果，拟合得到了IL-6与IL-6Ra结合平均断裂力随加载率变化的曲线，最终通过该曲线的斜率和截距拟合得到IL-6与IL-6Ra结合的结构参数反应柔度(xb)值为2.6A，其动力学参数解离常数(koff)值为3.8×104/s。同时，在实验中也观察到IL-6引发的IL-6R二聚化现象。　　 对G-蛋白与其下游激酶蛋白的特异性结合研究以RAS/BRAF为模型，通过in vitro单分子力谱进行研究的。单分子力谱测量实验同样地以直径5μm的羧基功能化聚苯乙烯微球作为手柄，带组氨酸(HIS)标签的RAS分子通过抗体-抗原相互作用包被在手柄微球上。带巯基转移酶(GST)标记的BRAF分子通过抗体-抗原相互作用包被在手柄微球并被固定在基板上。以光镊束缚手柄微球，操纵三维压电陶瓷台，令手柄微球细胞与固定微球接触2秒，然后匀速拉开固定微球(加载率固定为1000pN/s)，通过测量这一过程中手柄微球的位置变化，得到微球表面的RAS与BRAF结合的单分子力信息。单分子力谱测量结果显示，在80-200pN范围内，RAS(WT)与BRAF(WT)结合的力谱上分布有5个对应特异性结合的峰(分别在36pN，88pS，128pN，168pN，199pN处)，代表RAS(WT)与BRAF(WT)结合涉及至少两个不同性质的位点。这与RAS/BRAF的结合涉及BRAF的至少两个结构域(RAS结合区RAS Binding Domain，RBD；半胱氨酸富集区Cysteine Rich Domain，CRD)的生物化学结论相符。在此基础上，对BRAF的两个致病性突变(BRAF(A246P)与BRAF(Q257R))与RAS结合的单分子力谱分别进行了研究。通过将一系列点BRAF突变对照组与RAS结合的单分子力谱与野生型实验值比较，在单分子层次解析了BRAF(A246P)与BRAF(Q257R)致病机制：虽然这两个突变体都以比野生型更高的亲和力与RAS结合，但其结构机制并不相同。即，BRAF(A246P)突变使得肽骨架空间熵降低，同时增大RAS/RBD和RAS/CRD结合力，RAS/BRAF复合物的稳定性增大，进而增强了RAS/RAF/ERK通路的活化；BRAF(Q257R)突变在257位点引入强正电基团，使得RAS/BRAF(Q257R)结合涉及新的位点，增大RAS/CRD结合力，但几乎不影响RAS/RBD结合力，但结果同样表现为RAS/BRAF复合物的稳定性增大，增强了RAS/RAF/ERK通路的活化。另外，257位点氨基酸残基侧链的极性或电性对维持BRAF的空间结构具有重要作用。这种解释与已有的生理实验数据相符，但我们的实验得到了生理实验数据不能反映的结构信息。这类蛋白突变引起的结构效应是其他传统in vitro实验手段无法获得的。　　 该论文工作基于光镊单分子力谱测量，系统地研究了细胞信号转导通路中涉及的细胞膜内、外蛋白分子相互结合模式。RAS与BRAF病理突变体单分子力谱研究的结果显示，即使是发生在相同结构域内且具有相同生理表现的突变，也会以不同的方式影响蛋白相互作用。本工作为在活体、生理条件下快速推知具有致病作用的突变蛋白的结构信息开辟了新途径。该研究方法在药物研发、测试方面将有广阔应用前景。