细胞色素P450的遗传多态性研究与人体健康的重要性及在临床用药中的价值

作者:戴大鹏
2021-12-16

细胞色素P450(Cytochrome P450,简称CYP)是人体内最重要的I相药物代谢酶,临床大约75-90%的常用药物均经P450酶系代谢[1-3]。人类从上世纪50年代中期开始意识到体内可能存在专门负责药物代谢的物质存在,直到60年代初期人们才从肝脏组织中纯化出一类组分,因其在CO还原状态下在450nm处有特异性的光吸收峰而被命名为细胞色素P450[4, 5]。自此以后,有关CYP与药物代谢的研究迅速增加,目前,在PubMed公共数据库中可以检索到超过8万条科学文献,仅在过去的20年内就有超过3万条科学报道和CYP有关,平均每天有8篇文献得以发表,这足以说明细胞色素P450对人类健康的重要性[1]


随着人类基因组计划的开展,目前已知人类染色体上存在57个CYP编码基因和58个假基因(具有基因的类似结构,但并不能表达具有功能的酶类或蛋白质),根据氨基酸序列的相似性,它们可以被分为18个家族和43个亚家族,其中CYP2,CYP3,CYP4这3个家族包含的成员数最多,明显高于其余15个家族[6]


人类CYP的酶类主要存在于肝脏组织中,其中CYP3A4/5及CYP2C家族的蛋白在肝脏CYPs中的占比最高。另外,小肠粘膜组织、大脑、肾脏、肺和皮肤等器官和组织中也有少量CYPs分布[7]。细胞色素P450主要通过氧化反应参与外源药物和内源性物质的代谢或生物合成,根据不同的预测模型,大约75-90%的临床常用药物均通过P450酶系代谢分解,其中CYP3A4/5、CYP2D6、CYP2C8/9、CYP2C19分别代谢约36%、19%、16%及8%的临床药物,是临床药物代谢相关最重要的P450酶类[8]

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目前的研究表明,多数P450酶的编码基因存在遗传多态性,且这种多态性会导致药物代谢活性发生改变,其中尤以CYP2C9、CYP2C19、CYP2D6和CYP3A4最为典型。另一方面,这种遗传多态性具有明显的地域和种族特异性,不同的种族,不同地域的人群CYP基因的等位基因分布频率存在显著差异[9],例如欧美白色人种中约10-15%的个体携带CYP2C9*2等位基因,5-15%的个体携带CYP2C9*3等位基因,中国汉族人群中CYP2C9*2等位基因频率却仅为1‰左右,CYP2C9*3等位基因的频率约为3%10。体内外的研究结果表明,这2种CYP2C9变异体的药物代谢活性均呈现出显著降低的趋势,携带这些等位基因的个体针对经由CYP2C9代谢的临床常用药物(如降糖药物甲苯磺丁脲、抗凝药物华法林)的代谢能力较野生型基因携带者降低约2/3-4/5,服用常规剂量容易出

现药物不良反应[11]。因此,国外白色人种或其他人种的研究数据并不能直接套用于我国汉族人群。我们的主要研究贡献:

表1. 获得命名的CYP2C9新等位基因列表

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一、创建了国际上单一民族规模最大的CYP等位基因频率数据库

为解决我国汉族人群P450酶主要成员基因遗传多态性数据匮乏的问题,由北京医院蔡剑平研究员牵头,并与温州医科大学药学院胡国新教授合作,从2009年中期开始,在河北省(北方人群)和浙江省(南方人群)各招募了1000多位健康志愿者,并对全部2127例样本开展了最重要的细胞色素P450药物代谢酶基因CYP2C9、CYP2D6、CYP2C19及CYP3A4的遗传多态性研究,分别发现了51、165、41及12种等位基因位点[10,12-14]。这些研究的入组样本数大大超过了之前对我国汉族人群的同类研究,发现的等位基因总数居于国际同类研究的首位,建立了国际范围内单一民族CYP等位基因规模最大的数据库,为了解我国汉族人群细胞色素P450这一重要的药物代谢酶家族的遗传多态性及等位基因分布规律提供了最为详尽和准确的数据,从而为我国药物基因组学和药物遗传学相关研究的开展提供了可靠的遗传学研究基础。


二、发现了我国汉族人群数量最多的CYP新等位基因

通过对2127例汉族健康志愿者开展四种最主要的CYP家族成员编码基因的测序分析,我们在CYP2C9、CYP2D6、CYP2C19及CYP3A4四种药物代谢酶基因中分别发现了22、22、24和7种新突变位点,其中CYP2C9基因有21(CYP2C9*36-*56)、CYP2D6基因有13种(CYP2D6*87-*93,*94A,*94B,*95-*98)、CYP2C19基因有11种(CYP2C19*2E-*2H,*2J,*3C,*29-*33)和CYP3A4基因有7种(CYP3A4*28-*34)被国际人类CYP等位基因命名委员会命名为新的CYP等位基因(表1-4)。


表2. 获得命名的CYP2D6新等位基因列表

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表3. 获得命名的CYP2C19新等位基因列表

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表4. 获得命名的CYP3A4新等位基因列表

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随后我们还对口服华法林病人开展了CYP2C9基因的遗传多态性研究[15-18],又发现了4种新的等位基因(CYP2C9*58-*60,*62),使我们研究小组获得的CYP2C9等位基因总数达到了25种,占全部已有等位基因(62种)的40%,是国际范围内获得CYP2C9等位基因命名最多的研究团队(图1)。

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图1. 主要CYP酶中我们发现的新等位基因的占比情况


三、构建了国内最完整的CYP药物代谢酶体外表达体系

在完成四种主要药物代谢酶的遗传多态性调查之后,我们参考国际上通用的CYP体外重组表达系统,构建了真核细胞体外表达体系[10](图2)、昆虫细胞表达体系[19](图3)及酵母细胞表达体系[16](图4)共三种不同的体外表达体系,用于体外重组表达药物代谢酶各种CYP变异体,使其便于体外酶学活性研究。三种体外药物代谢酶表达体系的互相印证,保证了我们研究的科学性和严谨性。据文献分析,这是目前国内最完整的CYP药物代谢酶体外表达体系。

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图2. 利用COS-7细胞表达系统研究CYP2C9变异体的药代活性


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图3. 利用昆虫细胞表达系统体外重组表达CYP2C9变异体

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图4. 利用酵母细胞表达系统体外重组表达CYP2C9*60变异体


四、基本完成了4种最重要CYP药物代谢酶中所有变异体的体外药代学特性分析

相对于哺乳动物细胞和酵母细胞,昆虫细胞表达体系具有CYP表达量较高,细胞培养方式简便,重复性好等特点,在国际上被广泛使用。为了系统研究我国汉族人群中CYP药物代谢酶突变位点的作用机制,我们用昆虫细胞表达体系在体外重组获得了常见的各种CYP亚型和新发现的各种变异体,并通过添加相应的探针底物药或临床常用药物进行了体外药物代谢酶各型代谢酶的活性研究,其中包括中国汉族人群常见的37种CYP2C9变异体[20, 21](图5,图6)、22种CYP2D6变异体[22](图7)、24种CYP2C19变异体[23](图8)及22种CYP3A4变异体[24](图9)。此外,我们还开展了本研究首次发现的CYP2C9新突变体的人体药代动力学研究,以验证体外表达体系所获数据的可信度[25]。结果表明,人体药代动力学实验与基于COS-7表达体系的体外药物酶学研究结果趋势几乎完全一致(图10)。


这些结果提示,它与野生型等位基因携带者相比,汉族人群中CYP变异基因携带者的药物代谢活性可能会有显著变化,临床用药前开展基因分型检测,对于避免药物不良反应的发生具有重要的理论指导意义。

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当然,临床药物的使用量还受到个体健康状况、药物诱导或抑制、转录或翻译调控、药物转运等其他因素的影响,仅仅针对CYP重要等位基因的分型检测并不能完全准确预测相应药物的合理用量,个体化合理用药指导仍然需要借助大量的基础和临床研究支撑。




作者单位:北京医院/国家卫健委北京老年医学研究所