主要从事结构生物学，生物化学及其分子生物学的研究
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张明杰系统研究了架构蛋白在构建神经信号转导复合物中的功能及分子机理；提出了多结构域蛋白质中各结构域相互作用形成蛋白质超结构域的概念；发现PDZ结构域与细胞膜上磷脂相互作用，并阐明了这些相互作用的功能意义；对蛋白质-蛋白质，蛋白质-磷脂的相互作用在神经细胞极性形成，细胞不对称性分裂，囊泡传输与融合，神经细胞信号转导等神经生物学重要问题中所起的作用作了系统深入的研究；研究了一系列由于遗传突变所导致的中枢及周边神经系统疾病的发病机理。
