肝药酶CYP450 2D6基因的变异特点与临床意义

根据体内药物代谢的化学反应类型，可将其分为I相和II相代谢。其中，I相代谢包括氧化、还原和水解反应等，生成的产物水溶性增加、极性增大以利于排泄，是药物消除的主要途径。细胞色素P450（CYP）是介导I相代谢最重要的酶系之一，因其在可见光450nm处有吸收峰而得名^{[1, 2]}。目前已发现上百种CYP超家族，但仅有18种存在于人类中，包含57个功能基因和58个假基因[3]。根据氨基酸序列的同源性，可将其分成不同的家族及亚家族，大于40%的氨基酸相同时则属于同一家族用相同的阿拉伯数字表示；若氨基酸序列同源性＞55%，则为同一个亚家族用大写英文字母表示；亚家族中的各个同工酶则用阿拉伯数字进行区分[4]。CYP主要在肝脏中表达，还分布在肾脏、胃肠道、脑、肺等处。在肝脏中，CYP酶系间的丰度具有显著差别，如CYP1A2占13%、2A6占4%、2C为20%、2E1 7%、2D62%、3A4 30%。据统计，CYP1~CYP3家族参与代谢临床上约90%的药物：CYP1A2（5%）、CYP2A6（2%）、CYP2B6（2-4%）、CYP2C8（1%）、CYP2C9（10%）、CYP2C19（5%）、CYP2D6（20-30%）、CYP2E1（2-4%）、CYP3A4（40-45%），见图1^[5]。

图1. CYP450各酶系参与代谢临床药物所占比例

CYP2D6在肝脏中的丰度不高（约2%），但参与代谢20~30%的临床药物，包括抗精神病药、抗抑郁药、抗心律失常药、抗高血压药、β-肾上腺素受体阻断药等，是最重要的CYP酶之一^{[6, 7]}。CYP2D6具有遗传多态性，最早于1970年代中后期，被Mahgoub和Eichelbaum相继发现，并命名为异喹胍和司巴丁代谢多态性，但是很快就被证明是由CYP2D6基因变异所致^{[8, 9]}。

一、CYP2D6基因结构特征^[10]

CYP2D6基因座位于2 2 号染色体13区1带（22q13.1），包含三个高度同源序列，依次为CYP2D8，CYP2D7和CYP2D6，全长38kb，图2。CYP2D6基因全长约7kb，包含9个外显子和8个内含子。cDNA共由1521个碱基组成，编码497个氨基酸，相对分子量为5.1×104道尔顿。CYP2D8与CYP2D7均为假基因，虽然结构与CYP2D6相似，但不翻译表达。CYP2D8与功能基因CYP2D6相比无论在侧翼区，还是内含子或外显子区段都存在置换、缺失、插入等情况；而CYP2D7与CYP2D6相比仅第一外显子区存在差别，即CYP2D7中插入了一个胸腺嘧啶，从而使得开放阅读框发生移框，表1。另外，在CYP2D7和CYP2D6的3'下游区存在几乎相同的3.4kb片段，但CYP2D7下游的3.4kb片段被一段长约1.6 kb的序列所隔开，正是如此常导致CYP2D6基因的缺失、多复制等现象，如图2所示。

图2. CYP2D6基因座的结构示意图

二、CYP2D6等位基因与基因型

1984年，日本科学家Kimura率先完成CYP2D6的全序列测序，开启了CYP2D6遗传多态性的研究热潮^{[ 1 0 ]}。截至目前为止，美国国家生物信息中心（NCBI）的dbSNP数据库已经收录了3318个多态位点（http://www.ncbi.nlm.nih.gov/snp）。概括来讲，CYP2D6的结构变异类型包括点突变、缺失、重复（拷贝数变异）、转换（与CYP2D7发生重组）等^[11]。根据多态性位点，特别是改变氨基酸序列的变异，国际CYP命名委员会参照一定的标准进行命名，以星号分隔然后给予指定的阿拉伯数字。目前，已在线发布的CYP2D6等位基因多达145种（https://www.pharmvar.org/gene/CYP2D6）。

CYP2D6等位基因的分布频率在不同人种、不同民族间存在明显差别，见图3^[12-15]。在东亚，CYP2D6 *1、*2、*5和*10分布频率最大，其中*10近50%，显著高于西方人群与非洲人群。欧美人群中以*1、*2、*4为主，其中*4超过17%，是特征性等位基因；而对于非洲人群来说，*2与其他人种相近外，但*17、*29、*41均超过10%，属于代表性等位基因。

北京医院蔡剑平研究团队和温州医科大学胡国新研究团队针对中国汉族人群进行了大样本的遗传筛查，通过对2123份健康汉族志愿者的遗传分析，揭示了中国人群中CYP2D6基因较为准确详实的遗传多态性分布规律[14]。结果表明，在中国人群中分布29种等位基因，包括*1~*7、*10、*14、*18、*21、*28、*33~*36、*39、*41、*43、*49、*51、*52、*54、*60、*63、*65、*69、*71、*75等。其中，CYP2D6*10是分布最普遍的等位基因，频率约为42.86%，其次为CYP2D6*1、CYP2D6*2和CYP2D6*5，等位基因频率分别为26.56%、10.34%和6.04%，其余亚型的分布介于0.03%-3.25%之间。另外，研究首次发现了13个新型等位基因，包括*87-*93、*94A、*94B以及*95-*98，但都属于罕见变异，等位基因频率均小于0.1%。

CYP2D6*1，即野生型，尽管可进一步根据SNP位点分成五个亚型，但均不影响氨基酸序列。CYP2D6*2包含了两个特征性变异位点：2851C＞T和4181G＞C（以ATG起始标记），对应引起R296C和S486T两个氨基酸改变。CYP2D6*5即CYP2D6基因缺失，因此属于无功能等位基因。100C＞（P34S）, 4181G＞C（S486T）是CYP2D6*10的关键变异，导致酶的活性降低。目前，已被命名5种CYP2D6*10亚型，且存在多复制情况^[16]。

人属于二倍体生物，因此来自父方和母方的等位基因构成了复杂的基因型。研究发现，在中国人群中存在84种基因型，见图4[14]。其中，CYP2D6*1/*10频率最高达到22.93%，*10/*10（20.06%）、*2/*10（9.06%）、*1/*1（7.06%）和*5/*10（5.48%）次之。但是，这些基因型在南方和北方人群中的发生频率并没有显著差别。另外，CYP2D6*1、*2和*10较易出现多拷贝的情况，导致CYP2D6的基因型呈现更加复杂的组合形式。图4标记蓝色星号的基因型为存在复制的情况，在中国人群中的发生率为1.7%。

三、CYP2D6等位基因功能与代谢型

除了基因多拷贝导致酶表达量增加而引起功能增强外，核酸突变均导致CYP2D6活性降低或丢失。CYP2D6等位基因通过纯和或杂合形成的二倍体基因型决定了人的代谢表型，可分为：弱代谢型（Poor metabolizers，PMs）；中间代谢型（Intermedia metabolizers，IMs）；泛代谢型（Extensive metabolizers，EMs）和超快代谢型（Ultrapid metabolizers，UMs），见图5^[17]。代谢表型在不同个体、种群间的分布存在显著差别。白种人中，UM所占比例为3-5%；EM

比例最高为70-80%；IM占10-17%；而PM占5-10%。黑种人PM达到了19%，而在中国人群中，PM较其他人种具有显著性差异，仅占约1%[18]。PM一般是由于两个无用等位基因所导致的；EM通常包含了一个或者两个功能等位基因，这部分人群占绝大多数；IM往往携带一个无用等位基因和功能减弱的等位基因。不同人群中，等位基因分布各异，从而使得UM、EM、IM、PM所占比率不尽相同。

注：红色标记的为本课题组前期研究发现的新型等位基因

图5. CYP2D6基因-基因型及代谢表型的相关性

以CYP2D6为主要消除途径（＞60%）的药物，因代谢型而体现出来的曲线下面积（AUC）或清除率差异是导致药物反应个体差异的重要原因，特别是PMs与EMs，UMs与EMs之间表现最为显著。代谢表型和临床药效的相关性研究显示，PMs中β受体阻断剂的血药浓度与EMs相比显著增加，呈现出更强的受体阻断作用，同时剂量依赖性不良反应的发生率也明显增多，如心动过缓；另外，抗精神病药物在PMs中的不良反应发生率也会增加。经CYP2D6代谢而产生活性的前体药，在PMs中的疗效与EMs相比明显减弱，如抗癌药物他莫昔芬^[19]。关于UMs的一项临床研究结果显示，给予30mg可待因与EMs给药45mg相比产生的药效相当^[20]。换言之，如果UMs和EMs给予相同的剂量，药物的血液暴露量相差0.5倍。可见，药物代谢动力学性质的改变是产生疗效差异的具体表现形式。CYP2D6功能的广泛性改变导致以基因型为导向的转化医学越来越具有挑战性。Gaedigk等提出了“活性指数”（activity score，AS）的概念，对功能等位基因进行了量化，因而使得基因型有了定量标准，更重要的是为代谢型的预测提供了数据支持^[21]。根据CYP2D6酶的活性，等位基因被赋予了对应的AS值，如无活性为“0”；活性降低为“0.5”；活性正常为“1”。如果出现基因多拷贝的情况，则用对应等位基因的活性值乘以拷贝数（N×AS）。二倍体基因型的活性指数则为两个等位基因的AS之和，得到对应代谢表型的AS：PMs，0；IMs，0.5；EMs，1~2；UMs，＞2。

受试者可通过检测基因型计算对应的AS值，从而判定代谢表型为指导给药剂量提供参考。临床药物遗传学实施联盟（Clinical Pharmacogenetics Implementation Consortium，CPIC）已公布了若干个关于CYP2D6底物药物的应用指南，包括选择性5-羟色胺再摄取抑制剂、三环类抗抑郁药、可待因、他莫昔芬、昂丹司琼和托烷司琼等（https://cpicpgx.org/guidelines/）。以选择性5-羟色胺再摄取抑制剂为例，CPIC推荐PMs首次使用帕罗西汀的剂量降低50%；强烈建议UMs选用不以CYP2D6为主要代谢途径的药物^[22]。对于同类别的氟伏沙明，CPIC建议PMs以30%正常剂量开始治疗并维持^[22]。

四、临床意义及前景

CYP2D6代谢的药物，包括抗抑郁药、抗精神病药、抗糖尿病药、抗癫痫药、抗真菌药、抗组胺药、抗肿瘤药、心血管类药物等[23]。表2列出了部分CYP2D6代谢的药物，其中最主要的为作用于中枢神经系统的药物。

表2. 部分经CYP2D6代谢的药物

药物基因组学的主要目的就是寻找决定药物效应的遗传因素，在过去的50年中引起广泛的关注。20世纪60、70年代，从研究家族及双胞胎的药物遗传研究开始，到80、90年代相关基因的克隆与测序，使得人们更加深入的了解了其遗传的机制，即基因多态性影响药物的转运和靶点等，从而影响药物的效应。

在几十年的分子遗传学研究背景下，药物遗传学研究成果仍然无法应用于临床实践，这值得深思。首先，临床医生接受了长期的临床医学教育，治疗时均默认采用“平均剂量”，因为它适用于大部分人群；其次，药物遗传学要求实验检测，这就对临床医师提出了更高的要求，需要接受更加深入的分子生物学及遗传学的教育；利用临床药物遗传学来证明个体药物治疗对临床效应的影响很难通过实验来明确，因为牵涉很多伦理学问题，更加重要的样本的寻找非常困难；再者，遗传因素并不是决定表型的唯一条件，基因型表型的一致性受诸多环境因素的影响。上述种种原因，都影响并制约了该学科的应用。

人类基因组计划有效的刺激了当今测序技术的发展，越来越多复杂的序列得到了解读，基因测序朝着成本越来越低，可信度越来越高的方向发展，有理由相信，在未来的几年里基因检测将成为一项常规临床检测项目而被广泛应用。CY2D6作为一种研究最为深入的CYP酶之一，其与药物之间的关系正逐渐明了，基因型与表型间的关系也日渐明确。如今，个体化治疗受到前所未有的关注，它将必定促进CYP2D6遗传多态性在临床上的推广应用。

基金项目：国家重点研发计划资助项目（编号：2020YFC2008301）

作者单位：浙江，温州医科大学药学院（钱建畅）；

北京，国家卫健委北京老年医学研究所所长（蔡剑平）

通讯作者：蔡剑平