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精氨酸激酶属于高度保守的磷酸原激酶家族，催化ATP的γ磷酰基团可逆的转移到自由精氨酸的胍基上，产生ADP和磷酸精氨酸。该反应的主要生理功能包括临时能量缓冲和调控细胞内无机磷的水平，同时还影响糖酵解、质子缓冲和细胞内的能量运输。该催化反应几乎存在于所有的新陈代谢旺盛的细胞中，例如肌肉组织细胞、神经组织细胞和精原细胞。 磷酸原激酶有两种分类方式，一种是根据底物胍基化合物，可以分为八个成员，其中肌酸激酶和精氨酸激酶是研究最深入的两个成员;第二种是根据聚集形式，可以分为三类，包括单体、二聚体和八聚体，其中单体磷酸原激酶又可以分为二种形式:单结构域磷酸原激酶和多结构域磷酸原激酶，后者被认为是由前者基因复制并融合进化而来。自1985年首个三结构域肌酸激酶被发现，随着磷酸原激酶研究的不断深入，越来越多的多结构域磷酸原激酶被发现，其中双结构域精氨酸激酶种类最多。通常认为，在进化的过程中，随机的单基因复制和融合会显著提高蛋白的结构和功能多样性。对于大部分酶而言，通常发挥一种功能只需要一个结构域，而那些在自然选择中被保留下来的多结构域酶，一定存在某种由结构域之间的协同性带来的进化优势。然而，目前只有极少数的多结构域酶在全长水平上进行协同机制的结构生物学研究。因此利用结构生物学方法并结合生物化学手段研究双结构域精氨酸激酶对于全面理解磷酸原激酶家族的进化过程和催化机制是十分关键的，并有助于理解多结构域酶的内在协同机制。 本论文报道了双结构域精氨酸激酶的首个晶体结构，来源于海葵物种Anthopleura japonicus，包括无底物结合和有底物结合两种不同的状态。该精氨酸激酶的两个结构域呈现一种全新的L型不对称排列，不同于之前二聚体磷酸原激酶中两个亚基的排布关系。基于结构的突变实验进一步表明，破坏结构域间的联系会显著降低酶的催化活性。考虑到结构域之间的界面在空间上远离酶活中心，有理由认为酶的变构作用一定通过某种内在协同性在两个结构域之间得到了传递。这一发现也得到了靶向动力学模拟的验证。同时，动力学模拟和结构比对都揭示了三段柔性区域是底物结合诱导构象变化的关键。此外，突变体研究证明底物结合柔性区域中附加的三个氨基酸残基参与了酶的催化反应。尽管在解析的双结构域精氨酸激酶与底物复合物的结构中并没有观察到明显的构象变化，表明酶处于开放状态，利用靶向动力学的方法模拟了双结构域精氨酸激酶的过渡状态，结果表明两个结构域的变构效应表现出不同的方式。基于以上结果，提出了双结构域精氨酸激酶的不对称负协同机制，这种机制也可能适用于其他的双结构域酶，甚至有可能应用于酶工程中的人工设计。