细胞色素氧化酶P450研究新进展

www.cnkang.com 2007-3-21 16:27:00 中华康网

　　细胞色素氧化酶P450(CYP450)是一类参与内源性和外源性化合物代谢的酶，主要存在于生物体的内质网内，属于混合功能氧化酶系统中的一种。这类酶有许多种同工酶，存在于细菌，真菌，植物及动物体内，已有35亿年的历史。这类同工酶为何被称之为细胞色素氧化酶P450?一方面是其有血色素类似的结构，二是与CO作用后，在一定的条件下，用分光光度计测定时，在450 nm处有一个吸收高峰［1］。由于这类酶在外源性和内源性化合物代谢中起着非常重要的作用，近几十年来，对该酶进行了广泛深入的研究。随分子医学技术的发展，近几年对该酶系的研究有了新的发展；特别在酶基因的表达、调控方面，正成为人们研究的热点［1］。

　　1　CYP450酶的分型

　　细胞色素氧化酶P450是一类由不同量的氨基酸组成的蛋白质，并由不同的基因控制，但在早期，人们并未认识到基因调控表达的问题，而仅仅根据每种酶的光谱特性，电泳泳动度来确定酶的性质。随着对蛋白质氨基酸序列的认识，Nebert等提出了以氨基酸序列来命名CYP450同工酶的新建议，并且得到同行们的认可。目前的分型就是延用了这种命名方法。如在CYP450同工酶中的氨基酸序列有40%以上是一致的，即由一个不同的阿拉伯数字命名，如CYP1、CYP2、CYP3、CYP4等；而每种同工酶还有不同的亚型，相同的亚型中氨基酸序列55%以上是相同的，即以阿拉伯数字后加一个英文字母来表示此一亚型，如CYP1A、CYP2C、CYP2E、CYP3A、CYP4C等；最后，在英文字母后再加一个阿拉伯数字来表示不同的每种酶，如CYP3A4、CYP3A5、CYP3A7等。目前，已发现500种以上的CYP450酶，共分成74类型，其中14种存在于哺乳类动物体内［2］。

　　2　CYP450的分布及活性

　　众所周知，肝CYP450是外源和内源性化合物代谢的关键酶，从人类肝细胞微粒体中已纯化出几种亚型，对其基本特性也有所了解。在人体肝细胞中CYP450以CYP1、CYP2和CYP3为主，这3种CYP450占肝内CYP450总量的70%，并与大部分药物及毒物的代谢有关。这3种同工酶中，又以CYP3A占的比例最大，约占肝内CYP450总量的30%；其次是CYP2，约20%；CYP1A2占13%；CYP2E1占7%；CYP2A6占4%；CYP2D6占2%。CYP450除在肝内存在外，还在体内其他一些组织细胞中被发现，如小肠、胰腺、脑、肺、肾、骨髓、皮肤等组织中都有CYP450的存在［3］。Warner 等研究发现脑肝和小脑组织细胞中含有较高浓度的CYP450同工酶，它们对调控孕酮和皮质酮等激素的分泌有很重要的作用［4］。

　　CYP450的主要作用是催化内源性和外源性化合物的代谢，经过此酶的作用，大部分内源性化合物发生生物转化，成为亲水性和极性更强的化合物，易被排泄。CYP450同工酶主要参与体内氧化、还原、水解3种I相反应，并可被外源性化合物的诱导和抑制。如CYP1A可被多环芳烃碳水化合物诱导；苯巴比妥可诱导CYP2B，增加其活性；乙醇，苯等可诱导CYP2E；肾上腺皮质激素诱导CYP3A(表1)［5］。CYP450被抑制的机制也不尽相同，其中包括抑制剂与CYP450的底物竞争，与酶中的亚铁血红素结构结合(如与三价铁结合)，或直接与酶结合抑制酶的活性［6］。如有机溶剂氨基甲酸酯(Diethyldithiocarbamate)对人体内CYP2A6和CYP2E1有抑制作用；苯甲酸黄酮(Benzoflavone)对CYP1A1、CYP1A2也有选择性抑制作用。研究还发现酮康唑(Ketoconazole)、三乙酰甲竹桃霉素(Troleandomycin)对CYP3A4有抑制［7］。

　　3　CYP450的代谢作用

　　CYP450的代谢作用主要表现在催化内源性化合物的生物合成、降解及外源性化合物的生物转化。前者包括体内类固醇激素、胆固醇、脂肪酸等物质的生物合成与降解；后者包括大部分药物、环境化学物等外源性化合物的代谢转化［5］。

　　最近的研究发现，CYP2D6能调控一些神经递质的代谢和传递过程，如多巴胺、5-羟色胺等［4］。肾上腺类固醇激素和性腺类固醇激素的代谢可能受CYP11A、CYP14、CYP17、CYP19和CYP21等几种酶的影响。Makita 等认为花生四烯酸的代谢与CYP450有关，该化合物在肾脏经CYP1A1、CYP1A2、CYP2B1、CYP2B2、CYP2C11催化代谢后形成的代谢产物可增加肾细胞膜上Na+-K+-ATP酶和Na+-K+-Cl-泵的活性，从而引起多尿和尿钠排泄［8］。在肝脏，CYP7、CYP17、CYP19、CYP21、CYP27酶对胆酸及内源性类固醇的合成也有重要作用［9］。

　　肝脏CYP450酶系统对外源性药物和毒物的代谢有非常重要的意义。这些化合物通过肝细胞中CYP450酶系统的代谢，可由疏水性强的形式转变成为亲水性强，易分泌排泄的形式。还有些外源性化合物也受肝外CYP450酶系统的影响，如胃肠道内CYP450对经口的外源化合物的生物转化有很重要的意义。不同类型的CYP450同工酶对不同种类的外源性化合物有明显的特异性代谢作用。CYP1型酶主要参与多环芳烃和芳香胺类化合物的代谢。如CYP1A1是一种芳香基碳氢化合物羟化酶，在正常肝、肺组织内浓度很低，但其可被多环芳烃化合物诱导(表1)，其诱导机制主要是诱导剂弥散进入肝细胞内并与细胞内的载体蛋白结合，然后再进入细胞核内影响DNA，刺激mRNA的转录，从而使粗面内质网内CYP450增强。CYP1A2对甲基黄嘌呤类化合物脱甲基及羟化作用都非常重要，如咖啡因、茶碱及三环抑郁药的脱甲基；咖啡因、华法令等药物的羟化都有CYP1A2的参与。一些研究发现常吸烟、吃烟熏肉的人体内CYP1A2活性增强；苯妥英、苯巴比妥等可诱导该酶的活性；而红霉素等可抑制CYP1A2活性［3］。

表1　人体内细胞色素氧化酶P450同工酶的活性

同工酶酶反应底物酶诱导剂
CYP1A1 氯化苯多环芳烃碳水化合物
CYP1A2 咖啡因、非那西丁

　　三环抗抑郁药、新双香豆素

　　红霉素、氟派丁苯

　　安替比林、茶碱、扑热息痛
苯妥英、苯巴比妥

　　多环芳烃碳水化合物

　　奥美拉唑

CYP2C8 安定、苯巴比妥

　　三环抗抑郁药
利福平、苯巴比妥
CYP2C9/10 苯妥英、新双香豆素

　　甲糖宁

CYP2C19 美芬妥英、安定

　　三环抗抑郁药、双氯灭痛
苯巴比妥
CYP2D6 异哇胍、金雀花碱

　　可待因、美沙芬

　　β-阻滞剂、三环抗抑郁药
孕烷
CYP2E1 扑热息痛、七氟醚、三氯乙烯

　　甲氧氟烷、恩氟烷
乙醇、异烟肼、苯
CYP3A4 硝苯地平，三环抗抑郁药

　　美沙芬、红霉素、芬太尼

　　利多卡因、速眠安、可待因

　　格雷西隆、地尔硫唑

　　氢化可的松
利福平、糖皮质激素

　　卡马西平、苯巴比妥

CYP3A5 咖啡因，地尔硫唑地塞米松
CYP3A7 速眠安
CYP7 胆固醇
CYP11A1 胆固醇
CYP17 孕烯酮
CYP19 睾酮
CYP21A2 17-羟孕酮

　　CYP2同工酶包括CYP2A、CYP2B、CYP2C、CYP2D和CYP2E等亚型。研究发现CYP2A6是人体肝内一种很重要的香豆素(Coumarin)羟化酶；而CYP2B的药物代谢作用远不及其他亚型；CYP2C、CYP2D参与安定，三环抑郁药的脱甲基反应。值得一提的是CYP2E1亚型，大量的研究已证明，乙醇是一种典型的CYP2E1诱导剂。许多易挥发性麻醉剂的体内代谢都与CYP2E1有关(如氟甲氧氟烷、异丙氧氟烷、甲氧氟烷、二乙醚、三氯乙烯、氯仿等)；芳香族类化合物(如苯、对乙酰氨基酚、二甲基亚硝胺)的代谢也与CYP2E1有关［10］。Kharasch等研究发现此酶可被异烟肼等诱导。慢性酒精中毒者可增强体内苯巴比妥、利福平等的代谢率，加快这些约物的排泄速度，认为此作用可能与CYP2E1被诱导有关；相反，急性酒精中毒者又可能因乙醇竞争与CYP2E1结合，从而减慢上述同类药物的代谢速度［11］。

　　CYP3型酶也与体内一些内源性和外源性化合物的代谢有关，并可被类固醇、大环内酯类抗生素、抗真菌药物及苯巴比妥诱导。此亚型酶在体内占CYP450总量的70%，占肝内CYP450的30%；在人体内，目前已发现4种CYP3A基因，即CYP3A3，CYP3A4，CYP3A5和CYP3A7，其中CYP3A4是在肝内含量较高，是人体内镇痛药芬太尼氧化代谢的主要酶［12］。

　　4　CYP450基因表达与调控

　　CYP450酶蛋白的表达受特异基因的控制。至今为止，已发现了481种CYP450的基因，其中有74个基因家族，14种已在哺乳动物体内被发现，20种亚型在人类基因组已有图谱结构［1］。

　　CYP450基因的表达可受许多因素的影响，基因本身还具有多态性(Polymorphism)的变化。体外许多化学物质对CYP450基因表达有诱导作用［13］。最近的研究发现，CYP1基因族可由多环芳烃类化合物诱导，而且其转录表达过程与两种环状螺旋蛋白(helix-loop-helix proteins)有关，即与芳香碳氢化合物受体(Aryl hydrocarbon receptor,AhR)及其异型二聚体(AhR nuclear translocator,ARNT)两种蛋白有关。这两种受体蛋白的活化型可诱导CYP1基因的转录，从而上调CYP1酶蛋白的表达，促使一些化合物的氧化与灭活。目前，常用于此机制研究的化合物有两种：即四氯二苯二NFDA7NFDA8(2，3，7，8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin,TCDD)和甲基胆蒽(3-methylcholanthrene,MC)。它们都是AhR的配位体，在细胞浆中，能与AhR结合，并形成配位体-AhR受体复合体(TCDD/MC-AhR-hsp90)，该复合体可通过核膜进入细胞核，进入核内的配位体-AhR受体复合体在结构上可能发生变化，复合体上的AhR可能部分转化成为一种AhR的异型二聚体ARNT，最后形成一种更为复杂的配位体-受体复合体，然后与DNA上的特异部位结合，促进CYP1A1、CYP1A2、CYP1B1等基因的转录。在体内许多组织(肝、肺、子宫等)中，CYP1A1和CYP1B1 mRNA表达明显受配位体-AhR受体复合体的诱导［14］。

　　过去的研究证明，CYP2基因可明显受苯巴比妥类药物诱导；除此外，也还受许多结构与苯巴比妥类不同的化学物质的诱导。Renee MB［15］等最近的一些研究发现，肝组织中CYP2B1、CYP2B2、CYP2E1及CYP2C11酶蛋白和mRNA的表达，在乙苯急、慢性染毒动物实验中，表现出不一致性，并受染毒剂量、时间等的因素影响。急性染毒后，CYP2B1、CYP2B2 mRNAs表达明显提高；但随染毒时间延长，其表达又回到对照组水平，由其调控的酶蛋白仍保留在较高的水平。CYP2E1 mRNA在急性染毒时有诱导作用，表达加强；但慢性染毒时，表达随染毒时间延长而减弱。CYP2C11 mRNA在急性染毒时变化不明显，慢性染毒时表达减弱。Kimberley JW［16］的研究也发现，原代培养大鼠肝细胞中CYP2E1、CYP2B酶蛋白可受乙醇、丙酮及吡嗪诱导。细胞与这些物质培养72 h后，酶蛋白表达比对照组高2～8倍，但CYP2E1 mRNA的水平变化并不明显，而CYP2B mRNA的水平明显升高。由此看来，CYP2基因和蛋白虽受苯巴比妥类药物和其他一些化合物诱导，但在不同的条件下，基因和蛋白的表达可表现出明显不一致性。对此类基因调控机制的研究，近几年主要集中在苯巴比妥类受体的研究，但到目前为止，还没有发现特异的苯巴比妥类受体［13］。

　　以前的研究发现，CYP3基因族可被糖皮质激素诱导。80年代的研究就发现，地塞米松对肝细胞中的CYP3A1 mRNA有明显的诱导作用［17］。目前，关于此诱导机制的研究主要集中在糖皮质激素受体的研究，认为地塞米松对CYP3A1 mRNA的诱导可能与一种糖皮质激素受体有关；但有些研究也认为诱导与糖皮质激素受体无关，特别是一些非类固醇的药物，如甲吡丙酮、利福平等［14，17，18］。

　　CYP4基因可被一类过氧化物酶促进剂活化，该类结构不同的化合物可诱导体内过氧化物酶体的增生。最近的研究认为，该诱导作用机制可能与过氧化物酶体活化受体(peroxisome proliferator-activated receptor,PPAR)和它的配偶体RXR有关，两受体都是属于细胞核受体。最近，Devchand等发现二羟基脂肪酸白三烯B4(Dihydroxy fatty acid leukotriene B4,LTB4)可与PPAR α结合；另外，他们还发现降血脂药物Wy14643也是一种PPARα的配位体。由此，他们认为有这样一种可能性，即所有化学性过氧化物酶促进剂都可作为PPARα的配位体，并直接活化该受体，影响CYP4基因的表达［19］。

　　5　CYP450与疾病

　　过去的研究认为CYP450一些同工酶的变化与肿瘤、肾上腺增生性疾病、巴金森氏疾病等的发展有关，Ayesh 等研究认为肺癌的发展可能与CYP1A1活性变化有关。他们发现CYP1A1基因的个体差异与肺癌的高危险性有关［20］。Mckay JA等发现在乳腺癌病人CYP1B1同工酶活性增强，认为其与乳腺内的雌激素代谢有关。一些人认为巴金森氏病可能与CYP450在神经元细胞内催化一些反应所产生的代谢产物引起神经毒性有关［5］。Smith CAD等的流行病学调查发现临床上对异喹胍类降压药代谢不敏感的人有早期巴金森氏病的倾向。Wacke R等最近研究也发现，慢性胰腺炎可引起胰腺组织中CYP1A1，CYP1A2、CYP2C9、CYP2E1和CYP3A的变化，这些酶活性明显加强，认为胰腺组织内CYP450的变化可能与慢性胰腺炎的发生有关。

　　近几年，一些学者通过对人体CYP基因多态性的研究，探讨CYP450与人类疾病的关系。Tersuya K等最近的研究发现，CYP2A6基因的多态性变化可能与人体对某些肿瘤发病的易感性有关。该研究发现日本人群中，纯合子整个CYP2A6基因的缺失率为3.9%；在肺癌病人中，该基因的缺失率明显比健康人低，推测肺癌的发生可能与体内CYP2D6活化某些致癌物质有关。另一研究也证实了CYP17、CYP1A1基因的多态性变化可能与乳腺癌的易感性有关。

　　(志谢：本文的撰写，得到美国国家毒理研究中心(NCTR)的Beverly Lyn-Cook博士和阎艳博士的大力支持。)

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