Цитохром P450 3A4: окислительный фермент и метаболизм лекарств

Введение

Энзим, который метаболизирует вещества путем окисления.

Цитохром P450 3A4 (сокращенно CYP3A4) — важный фермент в организме, преимущественно в печени и кишечнике, который у человека кодируется геном CYP3A4. Он окисляет небольшие чужеродные органические молекулы (ксенобиотики), такие как токсины или лекарственные препараты, для их последующего выведения из организма. CYP3A4 высоко гомологичен CYP3A5, другому важному ферменту CYP3A. В то время как многие лекарства деактивируются CYP3A4, некоторые из них активируются этим ферментом. Определенные вещества, такие как некоторые лекарственные средства и фуранокумарины, содержащиеся в грейпфрутовом соке, вмешиваются в действие CYP3A4. Следовательно, эти вещества либо усиливают, либо ослабляют действие препаратов, которые модифицируются CYP3A4. CYP3A4 является членом семейства цитохрома P450 окислительных ферментов. Несколько других членов этого семейства также участвуют в метаболизме лекарственных средств, но CYP3A4 является наиболее распространенным и универсальным. Как и все члены этого семейства, это гемопротеин, то есть белок, содержащий гемовую группу с атомом железа. У человека белок CYP3A4 кодируется геном CYP3A4. Этот ген входит в состав кластера генов цитохрома P450 на хромосоме 7q22.1. Ранее предполагалось существование другого гена CYP3A, CYP3A3; однако в настоящее время считается, что эта последовательность представляет собой вариант транскрипта CYP3A4. Идентифицированы альтернативно сплайсированные варианты транскриптов, кодирующие различные изоформы. Белок CYP3A4 локализуется в эндоплазматическом ретикулуме, и его экспрессия индуцируется глюкокортикоидами и некоторыми фармакологическими агентами. Субстратами являются ацетаминофен (парацетамол), кодеин, циклоспорин (циклоспорин), диазепам, эритромицин и хлорохин. Большинство лекарственных средств деактивируются CYP3A4 либо напрямую, либо путем облегчения выведения из организма. Кроме того, многие вещества биоактивируются CYP3A4 с образованием их активных соединений, а многие протоксины превращаются в токсичные формы (см. таблицу ниже для примеров). CYP3A4 также обладает эпоксигеназной активностью, метаболизируя арахидоновую кислоту в эпоксиэикозатриеновые кислоты (ЭЭК), то есть (±) 8,9, (±) 11,12 и (±) 14,15 эпоксиэикозатриеновые кислоты. ЭЭК обладают широким спектром активности, включая стимуляцию определенных типов рака (см. эпоксиикозатетраеновую кислоту). CYP3A4 способствует росту различных линий клеток рака человека в культуре, производя (±) 14,15 эпоксиэикозатриеновую кислоту, которая стимулирует рост этих клеток. Также сообщается, что фермент CYP3A4 обладает активностью монооксигеназы жирных кислот, метаболизируя арахидоновую кислоту в 20-гидроксиэикозатетраеновую кислоту (20 HETE). 20 HETE обладает широким спектром активности, включая стимуляцию роста при раке молочной железы и других типах рака (см. 12-гидроксиэикозатетраеновую кислоту).

Cytochrome P450 3A4 (abbreviated CYP3A4) is an important enzyme in the body, mainly found in the liver and in the intestine, which in humans is encoded by CYP3A4 gene. It oxidizes small foreign organic molecules (xenobiotics), such as toxins or drugs, so that they can be removed from the body. It is highly homologous to CYP3A5, another important CYP3A enzyme. While many drugs are deactivated by CYP3A4, there are also some drugs that are activated by the enzyme. Some substances, such as some drugs and furanocoumarins present in grapefruit juice, interfere with the action of CYP3A4. These substances will, therefore, either amplify or weaken the action of those drugs that are modified by CYP3A4. CYP3A4 is a member of the cytochrome P450 family of oxidizing enzymes. Several other members of this family are also involved in drug metabolism, but CYP3A4 is the most common and the most versatile one. Like all members of this family, it is a hemoprotein, i. e. a protein containing a heme group with an iron atom. In humans, the CYP3A4 protein is encoded by the CYP3A4 gene. This gene is part of a cluster of cytochrome P450 genes on chromosome 7q22.1. Previously another CYP3A gene, CYP3A3, was thought to exist; however, it is now thought that this sequence represents a transcript variant of CYP3A4. Alternatively spliced transcript variants encoding different isoforms have been identified. The CYP3A4 protein localizes to the endoplasmic reticulum, and its expression is induced by glucocorticoids and some pharmacological agents. substrates include acetaminophen (paracetamol), codeine, ciclosporin (cyclosporin), diazepam, erythromycin, and chloroquine. Most drugs undergo deactivation by CYP3A4, either directly or by facilitated excretion from the body. Also, many substances are bioactivated by CYP3A4 to form their active compounds, and many protoxins are toxicated into their toxic forms (see table below for examples). CYP3A4 also possesses epoxygenase activity in that it metabolizes arachidonic acid to epoxyeicosatrienoic acids (EETs), i. e. (±) 8,9 , (±) 11,12 , and (±) 14,15 epoxyeicosatrienoic acids. EETs have a wide range of activities including the promotion of certain types of cancers (see epoxyeicosatetraenoic acid). CYP3A4 promotes the growth of various types of human cancer cell lines in culture by producing (±) 14,15 epoxyeicosatrienoic acids, which stimulate these cells to grow. The CYP3A4 enzyme is also reported to have fatty acid monooxgenase activity for metabolizing arachidonic acid to 20 Hydroxyeicosatetraenoic acid (20 HETE). 20 HETE has a wide range of activities that include growth stimulation in breast and other types of cancers (see 12 hydroxyeicosatetraenoic acid).

Эволюция

Ген CYP3A4 обладает значительно более сложной регуляторной областью выше по течению по сравнению с его паралогами. Эта повышенная сложность делает ген CYP3A4 более восприимчивым к эндогенным и экзогенным лигандам PXR и CAR, а не полагающимся на варианты генов для достижения большей специфичности. Это изменение, в свою очередь, способствует усилению защиты человека от холестаза. Хотя CYP3A4 преимущественно находится в печени, он также присутствует в других органах и тканях организма, где может играть важную роль в метаболизме. CYP3A4 в кишечнике играет важную роль в метаболизме определенных лекарственных препаратов. Зачастую это позволяет пролекарствам активироваться и абсорбироваться, как, например, в случае с терфенадином, антагонистом гистаминовых H1-рецепторов. Недавно CYP3A4 также был обнаружен в головном мозге, однако его роль в центральной нервной системе пока не установлена.

Механизмы

Энзимы цитохрома P450 осуществляют разнообразные модификации широкого спектра лигандов, используя свой большой активный центр и способность связывать несколько субстратов одновременно для проведения сложных химических превращений в метаболизме эндогенных и экзогенных соединений. К ним относятся гидроксилирование, эпоксидирование олефинов, ароматическое окисление, окисление гетероатомов, N- и O-деалкилирование, окисление альдегидов, реакции дегидрогенизации и ароматазная активность. Гидроксилирование sp3 C-H связи – один из способов, посредством которого CYP3A4 (и цитохромные P450 оксигеназы) воздействуют на свой лиганд. Фактически, гидроксилирование иногда сопровождается дегидрогенизацией, приводя к образованию более сложных метаболитов. В некоторых случаях это может привести к смертельному взаимодействию с лекарственными препаратами, такими как астемизол или терфенадин. Помимо грейпфрута, аналогичные эффекты оказывают и другие фрукты. Например, нони (Morinda citrifolia) – это диетическая добавка, обычно употребляемая в виде сока, которая также ингибирует CYP3A4. Сок граната в ограниченных исследованиях продемонстрировал некоторое ингибирование, но пока не показал этого эффекта на людях.

Изменчивость

Хотя в гене CYP3A4 было выявлено более 28 однонуклеотидных полиморфизмов (СНП), установлено, что это не коррелирует со значительной межиндивидуальной изменчивостью in vivo. Можно предположить, что это связано с индукцией CYP3A4 при воздействии субстратов. К аллелям CYP3A4 с минимальной функцией по сравнению с диким типом относятся CYP3A4*6 (вставка A17776) и CYP3A4*17 (F189S). Оба этих СНП привели к снижению каталитической активности в отношении определенных лигандов, таких как тестостерон и нифедипин, по сравнению с метаболизмом, наблюдаемым для дикого типа. В отличие от этого, аллель CYP3A4*1G обладает более высокой ферментативной активностью по сравнению с CYP3A4*1A (аллель дикого типа). Межиндивидуальную изменчивость функции CYP3A4 можно определить неинвазивно с помощью теста дыхания с эритромицином (ERMBT). ERMBT оценивает активность CYP3A4 in vivo путем измерения количества радиоактивного углекислого газа, выдыхаемого после внутривенного введения (14C N-метил)эритромицина.

Индукция

CYP3A4 индуцируется широким спектром лигандов. Эти лиганды связываются с прегнанным Х-рецептором (PXR). Активированный комплекс PXR образует гетеродимер с ретиноидным X-рецептором (RXR), который связывается с XREM-областью гена CYP3A4. XREM является регуляторной областью гена CYP3A4, и связывание вызывает кооперативное взаимодействие с проксимальными промоторными областями гена, что приводит к увеличению транскрипции и экспрессии CYP3A4. Активация гетеродимера PXR/RXR инициирует транскрипцию промоторной области и гена CYP3A4. Связывание лигандов усиливается в присутствии лигандов CYP3A4, таких как афлатоксины B1, M1 и G1. Действительно, благодаря большому и пластичному активному центру фермента, он способен связывать одновременно несколько лигандов, что может приводить к потенциально неблагоприятным побочным эффектам. Индукция CYP3A4 у людей варьируется в зависимости от пола. Имеются данные о повышенном клиренсе лекарственных средств, метаболизируемых CYP3A4, у женщин, даже с учетом различий в массе тела. Исследование, проведенное Wolbold et al. (2003), показало, что медианные уровни CYP3A4, измеренные в образцах печени, полученных хирургическим путем от случайной выборки женщин, превышали уровни CYP3A4 в печени мужчин на 129%. Транскрипты мРНК CYP3A4 были обнаружены в сопоставимых пропорциях, что указывает на претрансляционный механизм повышения регуляции CYP3A4 у женщин. Точная причина повышенного уровня фермента у женщин все еще изучается, однако исследования выявили другие механизмы (такие как компенсация со стороны CYP3A5 или CYP3A7 при снижении уровней CYP3A4), которые влияют на клиренс лекарственных средств как у мужчин, так и у женщин. Активация субстратов CYP3A4 варьируется у разных видов животных. Некоторые лиганды активируют PXR человека, что стимулирует транскрипцию CYP3A4, в то время как у других видов активация не наблюдается. Например, мышиный PXR не активируется рифампицином, а человеческий PXR не активируется прегненолоном 16α-карбонитрилом. Для облегчения изучения функциональных путей CYP3A4 in vivo были разработаны мышиные линии, несущие трансгены для получения нокаутных/гуманизированных кроссов CYP3A4 и PXR. Хотя у гуманизированных мышей hCYP3A4 фермент успешно экспрессировался в кишечном тракте, в печени были обнаружены низкие уровни hCYP3A4. В связи с широким распространением фермента в слизистой оболочке кишечника, он проявляет чувствительность к симптомам голодания и повышается в ответ на неблагоприятные факторы. Действительно, у толстоголовых пескарей не кормившиеся самки рыб демонстрировали повышенную экспрессию PXR и CYP3A4, а также более выраженный ответ на ксенобиотики после нескольких дней голодания.

CYP3A4 is induced by a wide variety of ligands. These ligands bind to the pregnane X receptor (PXR). The activated PXR complex forms a heterodimer with the retinoid X receptor (RXR), which binds to the XREM region of the CYP3A4 gene. XREM is a regulatory region of the CYP3A4 gene, and binding causes a cooperative interaction with proximal promoter regions of the gene, resulting in increased transcription and expression of CYP3A4. Activation of the PXR/RXR heterodimer initiates transcription of the CYP3A4 promoter region and gene. Ligand binding increases when in the presence of CYP3A4 ligands, such as in the presence of aflatoxin B1, M1, and G1. Indeed, due to the enzyme's large and malleable active site, it is possible for the enzyme to bind multiple ligands at once, leading to potentially detrimental side effects. Induction of CYP3A4 has been shown to vary in humans depending on sex. Evidence shows an increased drug clearance by CYP3A4 in women, even when accounting for differences in body weight. A study by Wolbold et al. (2003) found that the median CYP3A4 levels measured from surgically removed liver samples of a random sample of women exceeded CYP3A4 levels in the livers of men by 129%. CYP3A4 mRNA transcripts were found in similar proportions, suggesting a pre translational mechanism for the up regulation of CYP3A4 in women. The exact cause of this elevated level of enzyme in women is still under speculation, however studies have elucidated other mechanisms (such as CYP3A5 or CYP3A7 compensation for lowered levels of CYP3A4) that affect drug clearance in both men and women. CYP3A4 substrate activation varies amongst different animal species. Certain ligands activate human PXR, which promotes CYP3A4 transcription, while showing no activation in other species. For instance, mouse PXR is not activated by rifampicin and human PXR is not activated by pregnenolone 16α carbonitrile In order to facilitate study of CYP3A4 functional pathways in vivo, mouse strains have been developed using transgenes in order to produce null/human CYP3A4 and PXR crosses. Although humanized hCYP3A4 mice successfully expressed the enzyme in their intestinal tract, low levels of hCYP3A4 were found in the liver. Due to the enzyme's extensive presence in the intestinal mucosa, the enzyme has shown sensitivity to starvation symptoms and is upregulated in defense of adverse effects. Indeed, in fatheaded minnows, unfed female fish were shown to have increased PXR and CYP3A4 expression, and displayed a more pronounced response to xenobiotic factors after exposure after several days of starvation.

Индукторы

Сильные и умеренные индукторы CYP3A4 – это лекарственные средства, которые снижают AUC чувствительных субстратов пути, в котором участвует CYP3A4, на ≥80% и ≥50–<80% соответственно. Следующие вещества являются индукторами CYP3A4.