DNA作为遗传信息的载体,它的完整性（Integrity）和稳定性（Stability）对于维持正常的生命活动极为重要。DNA损伤修复系统是基因组完整性和稳定性得以保证的基础。人体DNA损伤修复系统功能失调将导致极为严重的疾病,包括肿瘤。在DNA修复网络中,碱基切除修复（Base Excision Repair,BER）扮演着至关重要的作用。根据碱基切除修复涉及核苷酸的长度将其分成短片段BER和长片段BER,二者都起始于糖苷水解酶切除DNA链中受损碱基,再依次交由APE1酶切、Polβ聚合、连接酶连接切口完成SP-BER,LP-BER还需要FEN1在Polβ作用结束后切除5’-Flap结构再由连接酶连接切口完成修复。研究表明,每个哺乳动物细胞每天至少发生105次碱基切除修复事件。如此庞大的修复任务要求对DNA修复途径中的每个过程有着时间和空间上严格而精确的调控。然而,目前对这种调控实现的分子机制还所知甚少。我们在前期的工作中发现,蛋白质精氨酸甲基化修饰可以对碱基切除修复中的关键酶起着重要调控作用。例如,精氨酸甲基化可以控制BER修复蛋白FEN1的招募或脱离DNA损伤位点。此外,精氨酸甲基化也影响了 BER中的关键蛋白Polβ的活性及其与招募蛋白PCNA的结合。因此,我们推测,BER途径中关键蛋白精氨酸甲基化位点的突变,将影响DNA损伤修复效率,导致DNA突变增加,诱导肿瘤等疾病的发生。为了验证这一假设的正确性,本论文以BER修复途径中的两个关键蛋白FEN1和Polβ的精氨酸甲基化突变体作为研究对象,探究这种调控方式背后的作用机制以及与肿瘤发生之间的关联。FEN1是一种结构特异性的核酸酶,它在长片段BER修复中是Polβ的下游蛋白,负责切除由Polβ形成的Flap结构。FEN1通过与PCNA的结合被招募到DNA损伤位点。当FEN1完成功能后,通过与PCNA的解离从而脱离修复位点,以避免对基因组造成不必要的非特异性切割。因此,FEN1与PCNA的结合与解离是FEN1执行功能的关键调控步骤。前人的研究表明,FEN1脱离PCNA的驱动力是FEN1的磷酸化。磷酸化改变了 FEN1的表面电荷,使PCNA与FEN1的结合松散。问题是,细胞内存在大量的磷酸激酶,FEN1与PCNA的正常结合是如何来保证的?我们的研究表明,FEN1的精氨酸甲基化修饰在此过程中起着核心作用。在 PRMT5（Protein Arginine Methyltransferases5）的作用下,FEN1 在 192位的精氨酸发生对称双甲基化修饰（SDMA）。该位点甲基化的FEN1抑制了 FEN1的磷酸化,从而确保了 FEN1与PCNA的结合。这一发现确证了精氨酸甲基化在DNA损伤修复中的重要调控作用。除FEN1 192位点的SDMA外,最近,我们体外甲基化检测实验发现一个新的FEN1精氨酸甲基化位点,R378。与R192不同的是,该位点由PRMT1催化,产生非对称二甲基精氨酸（ASDMA）。这些现象提示378位点的ASDMA可能有着不同于R192位点SDMA的功能,具体体现在哪些方面有待于我们进一步研究。由于FEN1 R378突变后FEN1的稳定性下降,我们推测,含有FEN1 R378精氨酸甲基化位点突变的细胞将对DNA损伤更敏感,含有该位点突变的人群将更容易发生肿瘤。为此,我们试图在肿瘤样本中寻找FEN1 R378位点的突变,遗憾的是并没有找到该突变,同时也提示了该位点对于正常生命活动的重要性。Polβ同样作为碱基切除修复途径中关键蛋白,其功能也是受精氨酸甲基化修饰调控。重要的是在多种肿瘤病人样本中鉴定到Polβ不同位点的突变,这提示Polβ突变与肿瘤发生、发展之间存在一定关联,但具体机制目前仍不是很清楚。其中R152C Polβ是在肠癌病人样本中发现的一个Polβ精氨酸甲基化位点突变体（152位精氨酸突变成半胱氨酸）,我们便以此作为研究对象,探究这种翻译后修饰的失调与疾病发生的关系。我们的工作发现该R152C突变并未影响Polβ蛋白的二级结构、与DNA的结合能力以及与其它蛋白的相互作用,但是削弱了它的DNA聚合酶活力并直接导致其所参与的碱基切除修复途径效率的下降。表达R152C Polβ的细胞在用DNA损伤试剂处理后变得更加敏感。此外,R152C组的细胞在经损伤处理后,细胞内基因组的稳定性遭到破坏,表现在DNA双链断裂、染色体断裂和多倍体概率的升高。基因组稳定性的破坏被证明是导致肿瘤在内的疾病发生的重要因素,克隆形成的实验证明R152C突变组的细胞在恶性环境下的增殖能力更强,具有更高地转化成不受机体控制的恶性细胞的潜能。肿瘤病人样本中发现的R152C Polβ属于体细胞突变,不可遗传。为了探究这种蛋白质精氨酸甲基化缺失作为可遗传变异所带来的重大影响,我们找到一个可遗传的精氨酸甲基化突变体——R137Q Polβ,并构建其转基因小鼠模型在动物水平展开相关研究。R137QPolβ（137位精氨酸突变成谷氨酰胺）也是从肿瘤病人样本中发现的突变体,是Polβ精氨酸甲基化位点的突变体,同时也是一个SNP位点,存在于体细胞和生殖细胞中,属于最常见的可遗传变异。前期的研究在分子水平证明R137Q的突变会导致Polβ聚合酶活力的下降及参与的DNA修复效率的降低。我们在饲养R137Q小鼠的过程中发现其胚胎在体型、体重上都小于野生型小鼠,且死胎的概率更高。实验表明R137Q小鼠细胞的增殖缓慢、凋亡却增加,这种现象是导致其胚胎发育异常的原因。R137Q小鼠胚胎中碱基切除修复效率显著低于野生型小鼠,导致胚胎中存在DSBs、染色体断裂等基因组稳定性被破坏的现象。综上所述,我们以碱基切除修复途径中关键蛋白的精氨酸甲基化突变体:R378K FEN1、R152C Polβ、R137QPolβ作为研究对象,在分子、细胞、动物水平证明精氨酸甲基化修饰作为一种重要的翻译后修饰调控手段,通过调控这些关键蛋白的稳定性或者酶活,调节其所参与的碱基切除修复途径效率。当精氨酸甲基化位点突变导致碱基切除修复功能障碍时,细胞内出现DNA代谢紊乱、基因组不稳定等现象并最终引发个体的生理功能异常及各种疾病的产生。本文的内容进一步补充了碱基切除修复机制调控的研究,在临床上可能用于个体化医学的风险筛查及用药指导,并为相关疾病的诊断和治疗提供理论基础。