蛋白质是自然界中广泛存在的生物大分子。近年来,蛋白质在药物载运、生物催化、生物合成和疫苗开发等方面的应用引起人们的极大关注。利用蛋白质的自组装特性构建具有特定生物学功能的可控自组装体系是纳米科学、材料科学以及生物医学等交叉学科的热门研究课题之一。铁蛋白(Ferritin)是一种调节生物体内铁代谢平衡的蛋白,铁蛋白有对称性高、稳定性强和溶解度好等优点,在许多方面都有重要的研究价值。重组人源重链铁蛋白(recombinant Human H-chain Ferritin,rHuHF)是一种内径8 nm、外径12 nm的笼形蛋白,蛋白由24个蛋白亚基组成,每个亚基由A、B、C、D和E五个α螺旋和连接各螺旋的loop组成。研究表明对铁蛋白自组装界面及亚基进行设计和改造,可以实现铁蛋白结构与功能的定向改变,本研究以人源重链铁蛋白为研究对象,通过对铁蛋白进行分子设计和改造,最终实现铁蛋白自组装形式及调控方式的改变,扩展其在药物载运、蛋白框架材料等方面的应用。具体研究结果如下:1、在铁蛋白亚基平行4螺旋簇的两端各有一个疏水核心,疏水作用力在维持铁蛋白亚基空间结构方面具有至关重要的作用,通过删除部分关键氨基酸,使得疏水核心部分暴露在溶液中,进而两个亚基在疏水作用的影响下形成新的自组装形式。本论文对铁蛋白亚基D、E螺旋上的氨基酸进行了选择性删除,构建多种铁蛋白突变体,并最终发现,将重组人源重链铁蛋白亚基的135-183位氨基酸删除后,铁蛋白形成8聚体纳米环形结构,通过解析其晶体结构,发现该突变体在晶体中形成新型三维多孔纳米生物材料。此外,通过详细分析纳米环形结构的各个界面相互作用,得到了8聚体环形结构形成的分子机制。这种方法为设计改造形成不同结构及功能的自组装蛋白提供了新的方法与思路。2、铁蛋白拥有无毒、可生物降解、良好的生物相溶性和肿瘤细胞靶向特性等特点,是一种潜在的药物载体。铁蛋白可以在pH≤2.0时解聚成单亚基,当pH再调节为中性后,铁蛋白会复性成笼形结构,从而将小分子药物包埋到铁蛋白空腔中,但该方法有复性率低、药物分子结构破坏等不足,因此需要对铁蛋白进行设计改造,使铁蛋白可以在温和条件下实现药物分子的包埋和载运。本论文在详细分析人源重链铁蛋白亚基相互作用的基础上,通过对A和B螺旋之间的loop区(AB loop)进行关键氨基酸删除,实现铁蛋白在pH=4.0的条件下包埋药物,蛋白复性效率更是高达90%,晶体结构证明,AB loop的改造明显减弱了铁蛋白笼形结构亚基之间的相互作用力,同时,针对AB loop的设计并不影响铁蛋白的结构完整性及肿瘤靶向性。该研究为进一步拓展铁蛋白在药物载运方面的应用奠定了坚实的基础。