别构调节是一种通过调节分子结合到蛋白活性位点以外的别构位点进行蛋白功能调节的方式。由于别构位点相对活性位点多样性强,开发结合蛋白别构位点的小分子药物具有选择性高,毒副作用小等优点,这已成为国际各大医药公司新发展方向。然而,当前发现的蛋白别构位点主要来源于实验中随机发现,缺乏合理识别方法,并且别构小分子的调控机制常不明确,这严重影响了蛋白别构利用和相关小分子的药物开发。本论文第一部分利用生物信息学和机器学习的基本方法与技术,发展了新的别构位点识别方法:论文第二章介绍了一种全新的别构位点识别方法Allosite,我们对蛋白表面进行口袋探测,并从中提取别构位点和非别构位点的属性特征,使用统计学习方法SVM构建别构位点与非别构位点的分类模型。第三章中,我们构建了别构位点研究基准数据集,该数据集包含核心数据集和结构差异数据集两部分,核心数据集收集了目前已知的所有蛋白别构位点,结构差异数据集是在核心数据集基础上去除冗余信息后重新整理得到,这两个数据集能够为别构位点发现和别构机制研究提供巨大的便利。第四章中,我们首先开发了基于探针微扰的别构位点识别方法,通过考察探针分子对蛋白动力学变化的影响发现别构位点。再综合该方法与基于特征的别构位点识别方法构建了准确性更高、解释性更好的别构位点识别工具。第二部分中,我们以ATP为例对别构小分子的别构调控机制进行研究。三磷酸腺苷(ATP)是一种细胞内天然核苷酸辅酶,被认为是一种在所有生物体中必不可少的普通能量来源。最近,ATP别构结合位点的发现可能预示着ATP还能够作为别构调节剂行使更多功能。我们通过构象分析发现ATP在水溶液环境中主要存在压缩型和伸展型两种构象状态。ATP分子在底物位点时采用伸展型结合构象,而别构ATP分子采用伸展型或压缩型构象。两种不同的构象形式可能导致ATP在细胞信号中行使不一样的功能。此外我们还首次研究了ATP进入别构位点和底物位点的路径。从研究中表明,ATP更容易与底物位点相结合。别构机制研究表明,ATP的腺苷和三磷酸部位均可以引发蛋白内别构信号传递从而影响底物功能。这些研究可以推广到其他的别构小分子的机制研究过程,并推进别构机制的研究进展。