突触间隙的突触组织蛋白是对突触的生成、分化、识别、连接以及蛋白招募方面起到关键性作用的一类蛋白。研究发现，包括Calsyntenin-3(Cstn3)和Contactinassociatedproteinlike2(CNTNAP2)在内的多个突触组织蛋白与神经精神类疾病如孤独症谱系障碍、癫痫、精神分裂症、智力缺陷以及阿尔茨海默症等密切相关。Cstn3蛋白是位于突触后膜的GABA能和谷氨酸能突触发育所必需的蛋白质，在促进抑制型和兴奋型突触的发育和学习记忆等方面起到重要作用。在阿尔茨海默症方面，Cstn3与淀粉样蛋白的生成过程相关。CNTNAP2参与维持正常的突触网络和突触间信号传递。CNTNAP2在发育过程中影响神经元细胞的迁移及突触连接，与孤独症谱系障碍的发病密切相关。CNTN2(contactin 2)是CNTNAP2潜在的分子结合伴侣。MDGA1同样被认为与孤独症谱系障碍等疾病相关。
　　Cstn3、CNTNAP2、全长CNTN2以及MDGA1-NL2复合体等一系列突触组织和粘附蛋白的三维结构及构象变化尚不清楚。这极大地限制了人们揭示并理解这些蛋白在突触间隙有限的空间内行使功能的机理。长久以来，突触组织蛋白与突触间隙的其他类别的蛋白，如轴突蛋白(neurexin家族)和接触蛋白(contactin家族)中特定蛋白之间的相互作用也因此存在争论。在此，本论文拟采用透射电子显微镜技术对多个突触组织和粘附蛋白进行结构方面的研究，并用分子结合实验等手段对Cstn3、CNTNAP2特定的结合蛋白进行研究，以期对理解该类蛋白的功能和相互作用机制打下良好的结构基础。
　　目前结构生物学领域研究蛋白质结构的技术手段主要包括X射线晶体衍射法、核磁共振和冷冻透射电子显微镜等。其中晶体衍射需要将蛋白质进行结晶，对于膜蛋白以及柔性较大的蛋白质分子，往往难以得到晶体；而核磁共振技术局限于小于50kDa的分子；冷冻电镜技术则对150kDa以下的蛋白因为信噪比过低难以对结构进行研究。由于本论文所涉及的蛋白质分子的分子量介于50-150kDa之间，具有多个结构域，各结构域之间又存在较大的柔性和构象变化，因此不利于晶体生长以及采用冷冻透射电镜和单颗粒分析算法进行研究。因此，本论文选用负染色透射电镜，结合本实验室开发的单颗粒电子断层成像重构算法(Individual Particle Electon Tomography, IPET)，获取单个蛋白质分子的三维结构，有效避免了上述技术手段的局限性。通过对多个不同蛋白颗粒进行三维重构和构象比较，可以研究蛋白分子之间的结构差异以及动态变化，为结构方面的研究提供了新的信息和视角。
　　本研究首先采用单颗粒电子断层成像重构方法对Cstn3结构进行了研究，并首次获得了Cstn3蛋白分子的三维结构。实验结果发现Cstn3蛋白可形成四聚体结构。本论文进一步探讨了单体结构构象变化及四聚体内亚单元的结合方式，发现四聚体聚合紧密程度受到钙离子浓度的调节。通过固相结合实验以及表面等离子共振实验，发现Cstn3可与neurexin1α直接特异性结合，具有纳摩级的亲和度，且不与neurexin1β相结合。进一步的对Cstn3片段与neurexin1α结合的研究发现Cstn3与neurexin1α的结合方式与同属neurexin家族的neuroligin2明显不同。这些发现为Cstn3在突触后膜与neurexin1α形成跨突触“分子机器”提供了结构基础。
　　本论文对CNTNAP2蛋白分子的三维结构进行了研究，得到了CNTNAP2的三维结构及其柔性构象的变化范围。结果证明，CNTNAP2与neurexin家族蛋白的结构域组合方式明显不同。通过获得CNTNAP2分子与1.8nm和5nm直径纳米金颗粒及单克隆抗体形成的复合体的三维结构，以及通过重构CNTNAP2的分子片段，确认了分子内各个结构域的位置。功能方面，通过固相结合实验发现CNTNAP2与CNTN2直接结合，并且具有纳摩级的亲和度，但不与CNTN1结合，说明CNTNAP2与CNTN2的结合具有特异性。在研究CNTNAP2和CNTN2相互作用的过程中，发现CNTN2呈现“马蹄铁形”和“非马蹄铁形”两种结构构象，并且在CNTN2分子内存在极大的柔性。应用电子断层成像和IPET重构算法，首次获得了全长CNTN2蛋白分子的三维结构，发现了与之前研究报道不同的结构变化特征。结合两种明显的构象类别，提出了CNTN2新的发挥细胞粘附作用的方式；同时也首次获得了MDGA1与NL2二聚体分子形成的复合体的三维结构及动态变化特征。与预期不同，二者以1∶1的分子配比形成复合体，且具有明显的结构柔性变化。
　　以上研究为神经突触间隙的细胞表面蛋白的结构、形态以及功能研究提供了新的研究方法以及认识，也为后续蛋白质高分辨结构的研究打下了的良好的基础。