CYP2C19基因與藥物代謝相關(guān)性研究進(jìn)展.doc

CYP2C19基因與藥物代謝相關(guān)性研究進(jìn)展作者：杜紅麗王靖方崔建勛凌飛魏冬青王小寧【關(guān)鍵詞】CYP2C19；SNP；單倍型；藥物代謝；個(gè)性化藥物設(shè)計(jì)基因組多態(tài)性是導(dǎo)致藥物反應(yīng)多態(tài)性的重要因素。人類群體中大約存在1000萬(wàn)個(gè)單核苷酸多態(tài)性（singlenucleotidepolymorphism，SNP）位點(diǎn)，相鄰SNPs的等位位點(diǎn)傾向以整體形式遺傳給后代。位于染色體某一區(qū)域的一組相關(guān)聯(lián)的SNPs等位位點(diǎn)被稱作單倍型（haplotype），大多數(shù)染色體區(qū)域只有少數(shù)幾個(gè)常見(jiàn)的單倍型（頻率>；5%），但它們代表了群體中大部分的多態(tài)性，可見(jiàn)單倍型更能描述人類常見(jiàn)的遺傳多態(tài)模式。在很多情況下，研究焦點(diǎn)已經(jīng)從效應(yīng)SNPs（causativeSNPs）轉(zhuǎn)移到效應(yīng)單倍型（causativehaplotype）1。2002年，國(guó)際科技界啟動(dòng)了“國(guó)際人類基因組單倍型圖計(jì)劃”，即HapMap計(jì)劃，以期標(biāo)出人類染色體上的單倍型及這些單倍型的標(biāo)簽SNPs2。目前HapMap計(jì)劃已取得了重大進(jìn)展，2007年10月公布了包含超過(guò)310萬(wàn)個(gè)SNPs的第二代人類基因組單倍型圖譜3，這為研究人類疾病以及研究人類對(duì)藥物和環(huán)境的反應(yīng)等提供了重要的生物信息。CYP2C19是一種十分重要的藥物代謝酶，主要存在于肝臟微粒體內(nèi)，許多內(nèi)源性底物、環(huán)境污染物以及臨床上大約2%的藥物都由其催化代謝。研究發(fā)現(xiàn)，CYP2C19基因多態(tài)性可影響到許多重要臨床應(yīng)用藥物的代謝，如omeprazole、diazepam、imipramine、propranolol等，是引起個(gè)體間和種族間對(duì)同一藥物表現(xiàn)出不同代謝能力的原因之一4,5。CYP2C19基因的許多功能多態(tài)位點(diǎn)已被鑒定，如具有等位基因CYP2C19*26和CYP2C19*37的CYP2C19酶對(duì)藥物底物的代謝強(qiáng)度弱，但這2個(gè)等位基因并不能解釋所有的弱代謝，在不同的群體中可解釋的弱代謝比例從小于50%到大于90%8，推測(cè)其表型與更多的功能多態(tài)位點(diǎn)相關(guān)。鑒于CYP2C19的重要性，本課題組利用相關(guān)文獻(xiàn)資料、HapMap數(shù)據(jù)庫(kù)生物信息資源以及本課題研究進(jìn)展，分析總結(jié)了CYP2C19基因型、單倍性與藥物代謝的相關(guān)性，為進(jìn)一步利用單倍型進(jìn)行個(gè)性化藥物設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。1CYP2C19基因SNP與藥物代謝人CYP2C19基因位于10號(hào)染色體上，長(zhǎng)約90.21kb，含9個(gè)外顯子和8個(gè)內(nèi)含子。其mRNA序列、蛋白質(zhì)序列和Contig參考序列在NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中的登陸號(hào)分別為NM_000769.1、NP_000760.1和NT_030059.12。目前NCBIdbSNP數(shù)據(jù)庫(kù)收錄了該基因相關(guān)的SNP共318個(gè)，包括編碼區(qū)SNP（cSNP）21個(gè)，分別位于mRNA序列的1、55、99、221、276、358、365、390、431、502、636、680、681、903、990、991、1059、1228、1251、1316和1440位，其中沒(méi)有引起氨基酸改變的有8個(gè)，分別為99、390、681、903、990、1059、1251和1440位；而文獻(xiàn)已報(bào)道與酶活性、藥物代謝相關(guān)的效應(yīng)cSNP有：1（AG，MetMValV）、358（TC，TrpWArgR）、395（GA，ArgRGlnQ）、431（GA，ArgRHisH）、636（GA，TrpWTer*）、680（CT，ProPLeuL）、681（GA，mRNA剪切缺陷）、1297（CT，ArgRTrpW）和1473（AC，Ter*CysC），這些效應(yīng)cSNP對(duì)應(yīng)的CYP2C19等位基因分別為：CYP2C19*49、CYP2C19*810、CYP2C19*611、CYP2C19*912、CYP2C19*37、CYP2C19*1012、CYP2C19*26、CYP2C19*513和CYP2C19*1212。其中，CYP2C19*2突變會(huì)引起高加索人和日本人群抗痙攣藥物（mephenytoin和Smephenytoin）的弱代謝6,11。CYP2C19*3可部分解釋日本人群抗痙攣藥物的弱代謝，聯(lián)合CYP2C19*2可100%解釋該人群抗痙攣藥物的弱代謝，即日本人群抗痙攣藥物的弱代謝是由這兩種突變引起的7。CYP2C19*4等位基因主要在高加索人群中被發(fā)現(xiàn)，也是抗痙攣藥物弱代謝的等位基因之一，可解釋高加索人群3%的弱代謝9。CYP2C19*5是罕見(jiàn)的突變基因，在高加索人群和中國(guó)白族人群中被發(fā)現(xiàn)，發(fā)生頻率非常低（白族人0.25%，高加索人低于0.9%），但也可以引起弱代謝13。CYP2C19*6同樣可以解釋高加索人群部分的弱代謝，其對(duì)應(yīng)的突變重組蛋白對(duì)Smephenytoin的催化活性幾乎為011。相對(duì)野生型重組蛋白，CYP2C19*8對(duì)應(yīng)的突變重組蛋白對(duì)Smephenytoin和tolbutamide的代謝能力分別降低了90%和70%10。此外，以白種人、亞洲人和黑人的DNA為材料，測(cè)序發(fā)現(xiàn)了CYP2C19*9、CYP2C19*10和CYP2C19*12等多種等位基因12，而這3種等位基因只在黑人及其后代中出現(xiàn)，其中CYP2C19*9、CYP2C19*10突變重組蛋白對(duì)mephenytoin代謝水平分別有中等程度降低和顯著性降低，而CYP2C19*12突變重組蛋白則不穩(wěn)定。CYP2C19除了野生型（wildtype，WT）等位基因CYP2C19*1外，存在CYP2C19*2CYP2C19*21等多種突變等位基因，這些突變基本都是由cDNA上的SNP引起的，信息詳見(jiàn)人類CYP等位基因命名委員會(huì)網(wǎng)站（http:/www.cypalleles.ki.se/cyp2c19.htm）。其中，CYP2C19*2和CYP2C19*3為CYP2C19基因的主要突變體，其他在人類中較為罕見(jiàn)。除了效應(yīng)cSNP對(duì)應(yīng)的等位基因外，CYP2C19*7源于第5內(nèi)含子的52供體剪接位點(diǎn)發(fā)生了單堿基突變TA，造成剪接缺失10；CYP2C19*17有5側(cè)翼區(qū)-806CT和-3402CT2個(gè)突變位點(diǎn)14,15，其中-806CT起效應(yīng)作用，因?yàn)楹?806CT的調(diào)控元件可結(jié)合肝核蛋白，可加快CYP2C19的轉(zhuǎn)錄速率，從而提高CYP2C19對(duì)omeprazole和mephenytoin的代謝效率。CYP2C19*17純合子個(gè)體對(duì)escitalopram或omeprazole代謝快16，且CYP2C19*17和CYP2C19*1純合子個(gè)體之間omeprazole和omeprazolesulphone的藥物代謝動(dòng)力學(xué)差異極顯著，CYP2C19*17可能成為個(gè)性化用藥的靶點(diǎn)17。在乳癌臨床試驗(yàn)中，攜帶CYP2C19*17突變的患者可能受益于tamoxifen的輔佐治療18。對(duì)HIV病人的臨床試驗(yàn)顯示，攜帶*1/*2或*2/*2基因型的患者相對(duì)*1/*1基因型的患者來(lái)說(shuō)，對(duì)nelfinavir（HIV蛋白酶的抑制劑）的代謝效率降低了50%19。另有研究還顯示，對(duì)CYP2C9*2和/或CYP2C9*3攜帶者可適當(dāng)降低acenocoumarol的劑量20。2CYP2C19單倍型與藥物代謝HapMap計(jì)劃（/）利用CYP2C19基因已發(fā)現(xiàn)的318個(gè)SNP中的49個(gè)構(gòu)建單倍型，其中有5個(gè)cSNP，分別為rs4986893、rs6413438、rs4244285、rs3758580和rs3758581，對(duì)應(yīng)在mRNA序列上的位置分別為636、680、681、990和991。這49個(gè)SNPs在不同的群體中出現(xiàn)的情況不完全相同，在非洲尼日利亞伊巴丹市的約魯巴人三體家系（YRI）、具有北歐和西歐血統(tǒng)的猶他州人三體家系（CEU）、無(wú)血緣關(guān)系的漢族中國(guó)人群（CHB）+無(wú)血緣關(guān)系的日本人群（JPT）中分別出現(xiàn)31、33、36個(gè)。HapMap構(gòu)建的CYP2C19單倍型復(fù)雜且種類繁多，難以直接與藥物代謝能力聯(lián)系起來(lái)。對(duì)其中的5個(gè)cSNP（636、680、681、990和991）采用PHASE軟件21構(gòu)建單倍型（表1），并根據(jù)3個(gè)效應(yīng)SNP（636、680和681）推測(cè)單倍型組合與藥物代謝的相關(guān)性。由表1可見(jiàn)，H1、H2和H3是最常見(jiàn)的單倍型，在YRI、CEU、CHB、JPT群體中均占比95%以上；在3個(gè)效應(yīng)SNP中，680位點(diǎn)在4類群體中均無(wú)多態(tài)，636位點(diǎn)只在JPT群體中出現(xiàn)多態(tài)且636A基因頻率低至2%，因此這些群體個(gè)體的藥物代謝能力基本可根據(jù)681位點(diǎn)基因型作初步推導(dǎo)。Nakamoto等8采用了由85個(gè)個(gè)體組成的歐美群體對(duì)CYP2C19基因的16個(gè)cSNP進(jìn)行基因分型并構(gòu)建單倍型（表2）。如果將表1的單倍型與表2的單倍型對(duì)應(yīng)起來(lái)，則H1對(duì)應(yīng)haplotype1、H2對(duì)應(yīng)haplotype3、H3對(duì)應(yīng)haplotype2；如果將表2中636、680、681、990和991位點(diǎn)單獨(dú)構(gòu)建單倍型，則只出現(xiàn)表1中的H1、H2和H3單倍型，在這個(gè)歐美群體中的頻率分別為：0.735（H1，0.723+0.012）、0.195（H2，0.122+0.047+0.026）、0.059（H3），雖然結(jié)果與CEU群體的有差異，但差異不顯著。從表1、表2可以看出，681和990位點(diǎn)是完全連鎖的（681G990C或681A990T）。Nakamoto等8研究發(fā)現(xiàn)，純合子681GG990CC單倍型組合（基因型）個(gè)體的藥物代謝能力較強(qiáng)，雜合子681GA990CT單倍型組合個(gè)體的藥物代謝能力中等，純合子681AA990TT單倍型組合個(gè)體的藥物代謝能力較弱；起效應(yīng)作用的位點(diǎn)為681。此外，1位點(diǎn)（CYP2C19*4）為純合突變GG的單倍型組合個(gè)體的藥物代謝能力也較弱。表1HapMap中CYP2C19基因5個(gè)cSNP構(gòu)建的單倍型及頻率注：與haplotype1比較，出現(xiàn)不同堿基的位點(diǎn)用陰影表示3CYP2C19基因與個(gè)性化藥物設(shè)計(jì)初探CYP2C19酶活性存在顯著的個(gè)體差異及種族差異，其不確定性嚴(yán)重影響了臨床療效和用藥安全，而遺傳多態(tài)性是產(chǎn)生這種差異的重要原因。為了將SNP或單倍型應(yīng)用到個(gè)性化藥物設(shè)計(jì)中，本課題組利用CYP2C9的晶體結(jié)構(gòu)作為模板，成功模擬出CYP2C19的三維結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)了CYP2C19基因的活性位點(diǎn)，并將4種市售藥物分子對(duì)接到活性位點(diǎn)上，找到了與藥物分子相互作用較為重要的氨基酸22；進(jìn)一步研究CYP2C19的2個(gè)cSNP（358TC和991GA；358為效應(yīng)SNP，對(duì)應(yīng)CYP2C19*8）對(duì)上述4種市售藥物分子的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，358TC改變了其中2種藥物分子與CYP2C19的結(jié)合能，而991GA對(duì)4種藥物與CYP2C19的結(jié)合能幾乎沒(méi)有影響23。許多研究表明，兩個(gè)不相關(guān)個(gè)體的基因組序列僅有0.1%的差異，但這些差異造成了群體遺傳相關(guān)特征差異，也造成了不同個(gè)體罹患疾病的不同風(fēng)險(xiǎn)和對(duì)藥物的不同反應(yīng)，而一種表型的產(chǎn)生可能由多個(gè)效應(yīng)SNPs引起，這樣就需要將這些效應(yīng)SNP整合組成單倍型，即效應(yīng)單倍型。CYP2C19基因已報(bào)道的效應(yīng)SNP有：cSNP（1、358、395、431、636、680、681、1297和1473）、調(diào)控區(qū)-806CT和第5內(nèi)含子的52供體剪接位點(diǎn)TA，如果將這些位點(diǎn)組合起來(lái)構(gòu)建單倍型，將會(huì)為個(gè)性化藥物設(shè)計(jì)和個(gè)性化用藥提供更全面的信息。Nakamoto等8選擇了多個(gè)效應(yīng)SNP構(gòu)建單倍型，其結(jié)果對(duì)應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。在不同群體中全面分析CYP2C19效應(yīng)SNP組成的單倍型，并將單倍型作為CYP2C19蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)和分子對(duì)接的基礎(chǔ)來(lái)設(shè)計(jì)藥物，將會(huì)使藥物設(shè)計(jì)或?qū)嵤﹤€(gè)性化用藥更加合理?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1MITRARD,BUTTYVL,SHENDUREJ,etal.DigitalgenotypingandhaplotypingwithpolymerasecoloniesJ.ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica,2003,100(10):5926-5931.2TheInternationalHapMapConsortium.TheinternationalHapMapprojectJ.Nature,2003,426(6968):789-796.3InternationalHapMapConsortium,FRAZERKA,BALLINGERDG,etal.Asecondgenerationhumanhaplotypemapofover3.1millionSNPsJ.Nature,2007,449(7164):851-861.4PESTKAEL,HALEAM,JOHNSONBL,etal.CytochromeP450testingforbetterpsychiatriccareJ.JPsychosocNursMentHealthServ,2007,45(10):15-18.5BERTILSSONL.Metabolismofantidepressantandneurolepticdrugsbycytochromep450:clinicalandinterethnicaspectsJ.ClinPharmacolTher,2007,82(5):606-609.6DEMORAISSM,WILKINSONGR,BLAISDELLJ,etal.ThemajorgeneticdefectresponsibleforthepolymorphismofSmephenytoinmetabolisminhumansJ.JBiolChem,1994,269(22):15419-15422.7DEMORAISSM,WILKINSONGR,BLAISDELLJ,etal.Identificationofanewgeneticdefectresponsibleforthepolymorphismof(S)mephenytoinmetabolisminJapaneseJ.MolPharmacol,1994,46(4):594-598.8NAKAMOTOK,KIDDJR,JENISONRD,etal.GenotypingandhaplotypingofCYP2C19functionalallelesonthinfilmbiosensorchipsJ.PharmacogenetGenomics,2007,17(2):103-114.9FERGUSONRJ,DEMORAISSM,BENHAMOUS,etal.AnewgeneticdefectinhumanCYP2C19:mutationoftheinitiationcodonisresponsibleforpoormetabolismofSmephenytoinJ.JPharmacolExpTher,1998,284(1):356-361.10IBEANUGC,BLAISDELLJ,FERGUSONRJ,etal.Anoveltransversionintheintron5donorsplicejunctionofCYP2C19andasequencepolymorphisminexon3contributetothepoormetabolizerphenotypefortheanticonvulsantdrugSmephenytoinJ.JPharmacolExpTher,1999,290(2):635-640.11IBEANUGC,GOLDSTEINJA,MEYERU,etal.IdentificationofnewhumanCYP2C19alleles(CYP2C19*6andCYP2C19*2B)inaCaucasianpoormetabolizerofmephenytoinJ.JPharmacolExpTher,1998,286(3):14901495.12BLAISDELLJ,MOHRENWEISERH,JACKSONJ,etal.IdentificationandfunctionalcharacterizationofnewpotentiallydefectiveallelesofhumanCYP2C19J.Pharmacogenetics,2002,12(9):703-711.13IBEANUGC,BLAISDELLJ,GHANAYEMBI,etal.Anadditionaldefectiveallele,CYP2C19*5,contributestotheSmephenytoinpoormetaboli