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无机砷(iAs)既可以引起机体癌变、心血管功能衰竭及神经损伤,又可以治疗癌症,特别是三氧化二砷(As3+)成功应用于治疗急性早幼粒白血病(APL)之后,人们越来越关注iAs的生物功能和药用价值。越来越多的研究表明,iAs的双面生物学效应与其在细胞内的甲基化代谢密切相关。基于此,本文从砷甲基化反应机制、砷中毒解毒机制以及砷和硒治疗APL的分子机制三个方面探究了砷代谢及其双面生物学功能。我们应用酶动力学、多种光谱和质谱方法对砷甲基化代谢机制进行了探究。同时,我们以HepG2细胞为对象,研究了二巯基丙磺酸(DMPS)对砷在细胞内甲基化代谢的影响并解释了DMPS对砷中毒的解毒机制。随后,我们用RT-PCR、western-blot等多种分子生物学方法探究了砷和硒对APL细胞凋亡和分化的影响以及相应分子机制。主要工作如下：1.在体外克隆和表达得到人重组砷甲基化酶(hAS3MT),应用快平衡动力学模型分析了As3+、甲基供体S-腺苷甲硫氨酸(AdoMet)以及还原剂谷胱甘肽(GSH)与hAS3MT结合顺序的问题。实验结果表明AdoMet是第一个结合到hAS3MT上的底物；当形成酶-AdoMet复合物之后,GSH与酶-AdoMet结合,As3+是最后结合到hAS3MT上的物种。在hAS3MT催化的MMA3+甲基化反应中,AdoMet、GSH和MMA3+也依次与hAS3MT结合。同时,我们应用紫外-可见光(UV-vis)光谱,圆二色谱(CD),荧光光谱等多种方法探究了底物与hAS3MT之间的相互作用关系。实验结果表明：AdoMet以疏水作用与hAS3MT结合并诱导酶构象的改变；GSH对酶二级结构的影响很大,其可显著增加hAS3MT二级结构中β-折叠成分；As3+与Cys61、Cys156和Cys206结合,该相互作用并没有改变酶构象。随后我们用基质辅助激光解析串联飞行时间质谱仪(MALDI-TOF-MS)以及光谱学方法分析了hAS3MT上半胱氨酸残基对As3+甲基化的影响。实验结果表明hAS3MT中存在Cys368-Cys369和Cys250-Cys32两对二硫键。其中,二硫键Cys250-Cys32在hAS3MT催化As3+甲基化反应之前被GSH还原。Cys250参与甲基从AdoMet转移到As3+的过程,并与生成的S-腺苷同型半胱氨酸(AdoHcy)以二硫键方式形成Cys250-AdoHcy中间产物。GSH还原该中间产物,在释放AdoHcy的同时恢复Cys250的活性。Cys156和Cys206通过形成分子内二硫键的方式促进甲基化产物从酶上释放。等到相应甲基化反应结束之后,二硫键Cys156-Cys206被GSH还原并参与到下一轮的催化循环中。2.以HepG2细胞为研究对象,探究了DMPS对As3+中毒的解毒机制。应用高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱(HPLC-ICP-MS)分析了细胞内以及细胞培养基中砷的形态和含量。同时,应用RT-PCR和western-blot探究了DMPS对HepG2细胞内hAS3MT表达的影响。随后,用流式细胞仪分析了DMPS对As3+引起的活性氧物种(ROS)的累积及细胞凋亡的影响。最后,用动力学手段分析了DMPS对]hAS3MT催化的As3+/MMA3+甲基化反应的抑制机制。实验结果表明DMPS从三个方面来减轻由As3+引起的生物毒性：(1)DMPS抑制细胞吸收As3+并促进细胞排泄As3+及其甲基化代谢产物；(2)DMPS可以清除细胞内由As3+引起的ROS累积,继而降低其对细胞的氧化损伤；(3)DMPS抑制细胞内As3+的甲基化代谢：一方面,DMPS抑制细胞内hAS3MT的表达；另一方面,DMPS与As3+/MMA3+竞争性结合,阻断As3+/MMA3+参与相应的甲基化反应。3.应用RT-PCR以及western-blot等多种分子生物学方法探究了As3+,As4S4以及亚硒酸(Se4+)对APL细胞凋亡和分化的影响及相应的分子机制。实验结果表明,As4S4和Se4+与As3+相似,它们会因剂量的不同分别诱导APL细胞凋亡和分化。其中,As4S4引起的细胞凋亡和分化机制与As3+引起的分化和凋亡机制相似：当As4S4在低浓度范围(0.1-0.4μM)时,通过降解白血病蛋白-维甲酸受体α(PML-RARα)融合蛋白来诱导APL细胞分化；当As4S4在高浓度范围(0.5-2.0μM)时,诱导相应的细胞通过与ROS相关的多种通路凋亡。然而,较低浓度的Se4+则不同：1.0-2.0 gM的Se4+并不会引起APL细胞的凋亡和分化；2.0-4.0μM的Se4+同时诱导APL细胞的凋亡和分化。同样地,Se4+(2.0-4.0μM)通过降解PML-RARα融合蛋白来诱导相应细胞分化；然而,该浓度范围内Se4+并不会引起细胞内ROS的累积,它主要通过抑制核因子-κB(NFκB)信号通路来诱导APL细胞凋亡。As3+和Se4+(2.0-4.0μM)联用不但可以促进APL细胞的凋亡和分化,还能降低细胞内由As3+引起的ROS累积。这说明,二者协同可以更好地治疗APL。