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本论文主要包括了两部分相对独立而且均比较完整的工作。第一部分内容主要是对来自革兰氏阳性菌的三个dUTPase的结构和生物功能的分析。尿嘧啶脱氧核苷三磷酸水解酶(dUTPase；EC3.6.1.23)主要在镁离子介导下将尿嘧啶脱氧核苷三磷酸(dUTP)水解成尿嘧啶脱氧核苷单磷酸(dUMP)，同时释放出焦磷酸(PPi)和质子。该酶普遍存在于各种生物体内，维持细胞的生存和遗传信息的稳定起着不可替代的作用。一方面dUTPase催化的反应严格地控制细胞内dUTP：dTTP的浓度平衡，使胞内dUTP的量在非常低的水平下，有效的预防dUTP被错误的掺入到DNA双螺旋结构中而抑制DNA链的延长，从而保护了DNA的稳定性。掺入DNA中的尿嘧啶引起的大量的A·U错配将启动复制修复系统，其结果产生大量的断裂的DNA片段导致细胞死亡；另一方面dUTPase的反应产物dUMP是合成dTTP的主要前体物质。当dUTPase活性过低或缺失，则细胞内用于合成dTTP的前体物质dUMP不够，胞内dTTP浓度降低，便无法维持后续正常DNA的合成过程。正是dUTPase在细胞中的关键作用，近40年以来，dUTPase一直被作为潜在的抗药物靶标，用于筛选其各种特异的抑制剂治疗一些肿瘤疾病。
本论文的工作选取了来自枯草芽孢杆菌中可能编码dUTPase的基因产物：YosS与YncF，和在变形链球菌中的dUTPase(SmdUTPase)。对它们从三维结构和酶促动力学方面进行了一系列的生化实验研究和分析。首先运用X射线衍射技术分别测定解析了YosS和SmdUTPase两个蛋白三维空间结构。尽管这两个蛋白序列同源性非常有限(仅28％)，但彼此具有非常相似的同源三聚体结构模式。再进一步对这三个dUTPases进行了酶动力学分析和比较。相似的酶催化dUTP的水解效率、高度类似的空间结构和活性中心构造，很大程度肯定了这三个酶与已报道的三聚体dUTPase拥有相同的SN2亲核反应机制。另外，YncF与YosS在高达93％的序列同源性，可对底物的亲和力却相差近三倍。研究发现序列和结构的差异主要表现在C—末端位置。于是设计了一系列突变体实验，深入分析dUTPase的C—末端的一些氨基酸残基在亲和力和催化中的重要作用。结合目前PDB中仅有的来自三个不同物种dUTPases结构中已得到完整的C—末端相似的结构特征，使我们对一直不太了解的C末末端在酶催化过程中的具体功能和作用有了比较清楚的认识，从而加深了对三聚体DUTPase结构和功能上更全面的理解。
本论文的第二部分工作是通过X射线晶体学方法研究了L—抗坏血酸代谢途径中其中一个重要的酶：3—酮基—L—古洛糖—6磷酸脱羧酶(KGPDC)。它主要是将3—酮基—L—古洛糖—6磷酸脱羧生成L—木酮糖—5—磷酸。KGPDC已被证实是乳清苷酸脱羧酶(OMPDC)超家族的成员，它们都具有磷酸丙糖异构酶结构特征(即TIM桶状折叠；TIM—barrel)，并且此家族的每个成员彼此都具有相似的、高保守的活性中心构架去催化各自完全不同的反应。到目前为止，一些文献通过对大肠杆菌的KGPDC的一些结构和功能的研究，就KGPDC催化反应过程中的质子化步骤有了比较清楚的了解，然而此酶催化机制中的完整过程却仍不清楚。我们解析了来自变形链球菌的KGPDC(smKGPDC)天然蛋白及产物类似物的复合物的结构。这些结构揭示了之前在KGPDC酶家族中从没有观察到的底物结合过程引起的活性中心附近巨大的构象变化。αB—螺旋盖子区和活性中心的两个精氨酸侧链的高度柔性与酶底物的结合和产物的释放有密切关系。阐明了底物结合或产物释放过程中活性中心附近张开/闭合状态的构象转化(open—closedconformational change)机制。这些发现对于扩展和深化理解KGPDC酶的完整催化反应机制提供了在原子水平上比较直观的结构证据。