CYP2C19基因與藥物代謝相關性研究進展.doc

CYP2C19基因與藥物代謝相關性研究進展作者：杜紅麗王靖方崔建勛凌飛魏冬青王小寧【關鍵詞】CYP2C19；SNP；單倍型；藥物代謝；個性化藥物設計基因組多態(tài)性是導致藥物反應多態(tài)性的重要因素。人類群體中大約存在1000萬個單核苷酸多態(tài)性（singlenucleotidepolymorphism，SNP）位點，相鄰SNPs的等位位點傾向以整體形式遺傳給后代。位于染色體某一區(qū)域的一組相關聯(lián)的SNPs等位位點被稱作單倍型（haplotype），大多數(shù)染色體區(qū)域只有少數(shù)幾個常見的單倍型（頻率>；5%），但它們代表了群體中大部分的多態(tài)性，可見單倍型更能描述人類常見的遺傳多態(tài)模式。在很多情況下，研究焦點已經(jīng)從效應SNPs（causativeSNPs）轉(zhuǎn)移到效應單倍型（causativehaplotype）1。2002年，國際科技界啟動了“國際人類基因組單倍型圖計劃”，即HapMap計劃，以期標出人類染色體上的單倍型及這些單倍型的標簽SNPs2。目前HapMap計劃已取得了重大進展，2007年10月公布了包含超過310萬個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藥物和環(huán)境的反應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用藥物的代謝，如omeprazole、diazepam、imipramine、propranolol等，是引起個體間和種族間對同一藥物表現(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)位點已被鑒定，如具有等位基因CYP2C19*26和CYP2C19*37的CYP2C19酶對藥物底物的代謝強度弱，但這2個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，推測其表型與更多的功能多態(tài)位點相關。鑒于CYP2C19的重要性，本課題組利用相關文獻資料、HapMap數(shù)據(jù)庫生物信息資源以及本課題研究進展，分析總結了CYP2C19基因型、單倍性與藥物代謝的相關性，為進一步利用單倍型進行個性化藥物設計提供理論基礎。1CYP2C19基因SNP與藥物代謝人CYP2C19基因位于10號染色體上，長約90.21kb，含9個外顯子和8個內(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)庫中的登陸號分別為NM_000769.1、NP_000760.1和NT_030059.12。目前NCBIdbSNP數(shù)據(jù)庫收錄了該基因相關的SNP共318個，包括編碼區(qū)SNP（cSNP）21個，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，其中沒有引起氨基酸改變的有8個，分別為99、390、681、903、990、1059、1251和1440位；而文獻已報道與酶活性、藥物代謝相關的效應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cSNP對應的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是罕見的突變基因，在高加索人群和中國白族人群中被發(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，其對應的突變重組蛋白對Smephenytoin的催化活性幾乎為011。相對野生型重組蛋白，CYP2C19*8對應的突變重組蛋白對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，信息詳見人類CYP等位基因命名委員會網(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。除了效應cSNP對應的等位基因外，CYP2C19*7源于第5內(nèi)含子的52供體剪接位點發(fā)生了單堿基突變TA，造成剪接缺失10；CYP2C19*17有5側翼區(qū)-806CT和-3402CT2個突變位點14,15，其中-806CT起效應作用，因為含-806CT的調(diào)控元件可結合肝核蛋白，可加快CYP2C19的轉(zhuǎn)錄速率，從而提高CYP2C19對omeprazole和mephenytoin的代謝效率。CYP2C19*17純合子個體對escitalopram或omeprazole代謝快16，且CYP2C19*17和CYP2C19*1純合子個體之間omeprazole和omeprazolesulphone的藥物代謝動力學差異極顯著，CYP2C19*17可能成為個性化用藥的靶點17。在乳癌臨床試驗中，攜帶CYP2C19*17突變的患者可能受益于tamoxifen的輔佐治療18。對HIV病人的臨床試驗顯示，攜帶*1/*2或*2/*2基因型的患者相對*1/*1基因型的患者來說，對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CYP2C9*2和/或CYP2C9*3攜帶者可適當降低acenocoumarol的劑量20。2CYP2C19單倍型與藥物代謝HapMap計劃（/）利用CYP2C19基因已發(fā)現(xiàn)的318個SNP中的49個構建單倍型，其中有5個cSNP，分別為rs4986893、rs6413438、rs4244285、rs3758580和rs3758581，對應在mRNA序列上的位置分別為636、680、681、990和991。這49個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）、無血緣關系的漢族中國人群（CHB）+無血緣關系的日本人群（JPT）中分別出現(xiàn)31、33、36個。HapMap構建的CYP2C19單倍型復雜且種類繁多，難以直接與藥物代謝能力聯(lián)系起來。對其中的5個cSNP（636、680、681、990和991）采用PHASE軟件21構建單倍型（表1），并根據(jù)3個效應SNP（636、680和681）推測單倍型組合與藥物代謝的相關性。由表1可見，H1、H2和H3是最常見的單倍型，在YRI、CEU、CHB、JPT群體中均占比95%以上；在3個效應SNP中，680位點在4類群體中均無多態(tài)，636位點只在JPT群體中出現(xiàn)多態(tài)且636A基因頻率低至2%，因此這些群體個體的藥物代謝能力基本可根據(jù)681位點基因型作初步推導。Nakamoto等8采用了由85個個體組成的歐美群體對CYP2C19基因的16個cSNP進行基因分型并構建單倍型（表2）。如果將表1的單倍型與表2的單倍型對應起來，則H1對應haplotype1、H2對應haplotype3、H3對應haplotype2；如果將表2中636、680、681、990和991位點單獨構建單倍型，則只出現(xiàn)表1中的H1、H2和H3單倍型，在這個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）個體的藥物代謝能力較強，雜合子681GA990CT單倍型組合個體的藥物代謝能力中等，純合子681AA990TT單倍型組合個體的藥物代謝能力較弱；起效應作用的位點為681。此外，1位點（CYP2C19*4）為純合突變GG的單倍型組合個體的藥物代謝能力也較弱。表1HapMap中CYP2C19基因5個cSNP構建的單倍型及頻率注：與haplotype1比較，出現(xiàn)不同堿基的位點用陰影表示3CYP2C19基因與個性化藥物設計初探CYP2C19酶活性存在顯著的個體差異及種族差異，其不確定性嚴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或單倍型應用到個性化藥物設計中，本課題組利用CYP2C9的晶體結構作為模板，成功模擬出CYP2C19的三維結構，預測了CYP2C19基因的活性位點，并將4種市售藥物分子對接到活性位點上，找到了與藥物分子相互作用較為重要的氨基酸22；進一步研究CYP2C19的2個cSNP（358TC和991GA；358為效應SNP，對應CYP2C19*8）對上述4種市售藥物分子的影響，結果發(fā)現(xiàn)，358TC改變了其中2種藥物分子與CYP2C19的結合能，而991GA對4種藥物與CYP2C19的結合能幾乎沒有影響23。許多研究表明，兩個不相關個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特征差異，也造成了不同個體罹患疾病的不同風險和對藥物的不同反應，而一種表型的產(chǎn)生可能由多個效應SNPs引起，這樣就需要將這些效應SNP整合組成單倍型，即效應單倍型。CYP2C19基因已報道的效應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TA，如果將這些位點組合起來構建單倍型，將會為個性化藥物設計和個性化用藥提供更全面的信息。Nakamoto等8選擇了多個效應SNP構建單倍型，其結果對應用具有一定的指導意義。在不同群體中全面分析CYP2C19效應SNP組成的單倍型，并將單倍型作為CYP2C19蛋白質(zhì)結構預測和分子對接的基礎來設計藥物，將會使藥物設計或?qū)嵤﹤€性化用藥更加合理?！緟⒖嘉墨I】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