Genetische Polymorphismen von Cytochrom P450 2D6 (CYP2D6): klinische Konsequenzen, evolutionäre Aspekte und funktionelle Vielfalt

Die Pharmakogenetik, die sich mit vererbten Unterschieden bei den Zielstrukturen von Arzneimitteln und der Arzneimitteldisposition in Form von Arzneimittelrezeptoren und -transportern befasst, entwickelt sich rasch.1, 2, 3, 4, 5 Am weitesten fortgeschritten ist unser Wissen derzeit in Bezug auf den Einfluss polymorph verteilter Gene, die für arzneimittelmetabolisierende Enzyme kodieren, obwohl das Wissen über Arzneimittelrezeptoren und -transporter rasch wächst. Die größte Bedeutung für die interindividuellen Unterschiede im Ansprechen auf Arzneimittel haben derzeit die durch genetische Polymorphie oder durch Hemmung oder Induktion des Arzneimittelstoffwechsels verursachten Unterschiede in der Fähigkeit zum Arzneimittelstoffwechsel. Neben Wechselwirkungen zwischen Arzneimitteln, pathophysiologischen Faktoren und Umweltfaktoren spielt die Genetik der Enzyme, die den Stoffwechsel von Arzneimitteln steuern, eine entscheidende Rolle für das Verständnis der interindividuellen Unterschiede beim Ansprechen auf Arzneimittel und bei unerwünschten Arzneimittelwirkungen. Den größten Einfluss unter den Enzymen, die Arzneimittel verstoffwechseln, haben die Cytochrome P450, die wichtigsten Phase-I-Enzyme.6, 7 Unter ihnen sind CYP2C9, CYP2C19 und CYP2D6 stark polymorph und machen zusammen etwa 40 % des hepatischen Phase-I-Stoffwechsels beim Menschen aus. Darüber hinaus tragen auch die Polymorphismen von CYP1A2, CYP2A6, CYP2B6 und CYP2C8 zu interindividuellen Unterschieden im Arzneimittelmetabolismus bei. CYP2D6 ist vielleicht das am umfassendsten untersuchte polymorph exprimierte Enzym des menschlichen Arzneimittelstoffwechsels; sein Polymorphismus ist von großer klinischer Bedeutung und war das erste unter den polymorphen P450, das auf molekularer Ebene charakterisiert wurde. Heute sind mehr als 48 verschiedene Arzneimittelsubstrate für dieses Enzym identifiziert worden (Tabelle 1), und CYP2D6 ist für etwa 25 % des Metabolismus der bekannten Arzneimittel verantwortlich. Dies könnte jedoch eine leichte Überschätzung sein, da in der Vergangenheit aufgrund der polymorphen Ausprägung dieses Enzyms gezielt nach Arzneimitteln gesucht wurde, die von diesem Enzym verstoffwechselt werden. In der vorliegenden Übersichtsarbeit werden die aktuellen Erkenntnisse und Konsequenzen der Molekulargenetik von CYP2D6 sowie die Erkenntnisse über die Auswirkungen auf die Arzneimitteltherapie beschrieben.

Allgemeine Merkmale von CYP2D6

CYP2D6 ist ein Polypeptid aus 497 Aminosäuren. Das Enzym macht nur einen kleinen Prozentsatz aller hepatischen P450 aus, aber seine Rolle im Arzneimittelstoffwechsel ist weitaus größer als sein relativer Anteil (siehe Zanger et al8). Die verschiedenen Modelle des Enzyms, die auf der dreidimensionalen Struktur von Cytochrom P450 BM-3 oder CYP2C5 beruhen, und die Ergebnisse der ortsgerichteten Mutagenese weichen stark voneinander ab. Obwohl es gelungen ist, gut beugende Kristalle der Säugetierenzyme CYP2B4, CYP2C5, CYP2C9 und CYP3A4 zu erhalten, ist es bisher niemandem gelungen, gute Kristalle von CYP2D6 zu gewinnen. Man geht davon aus, dass solche Kristalle notwendig sind, um eine Vorlage für Modelle zu erhalten, die eine ausreichende Auflösung und Genauigkeit aufweisen, um z. B. Medikamente vorherzusagen, die Substrate für dieses Enzym sind. Ein solches Modell wäre für die Arzneimittelindustrie von großer Bedeutung, da ein Arzneimitteldesign, bei dem Verbindungen vermieden werden, die hochaffine Substrate für CYP2D6 sind, für ein erfolgreiches Produkt auf dem Markt von zentraler Bedeutung ist.

CYP2D6-Substrate sind lipophile Basen mit einem protonierbaren Stickstoffatom. Die Hydroxylierungsreaktion findet in einem Abstand von 5 oder 7 Å vom Stickstoffatom statt. Durch gezielte Mutagenese-Experimente wurde nachgewiesen, dass Asp301 die negativ geladene Aminosäure ist, die für die Bindung an den Substratstickstoff verantwortlich ist.8 Darüber hinaus scheinen auch Ser304, Thr309 und Val370 an der Substratbindung beteiligt zu sein9, obwohl weitere Modelle zur Bestätigung erforderlich sind.

CYP2D6 hat eine sehr hohe Affinität für Alkaloide (siehe Tabelle 1).10 Die Expression des Enzyms wird im Gegensatz zu anderen hepatischen Xenobiotika-metabolisierenden Cytochrom P450 nicht durch bekannte Umwelteinflüsse reguliert und ist nicht durch bekannte Hormone induzierbar. Da bei Personen, denen CYP2D6 fehlt oder die bis zu 13 aktive Genkopien haben, kein Phänotyp beschrieben wurde, könnte man daraus schließen, dass das Enzym keine wichtige endogene Funktion hat. Es wurde eine Rolle für den Metabolismus einiger Neurotransmitter vermutet. In der Tat wurde kürzlich nachgewiesen, dass CYP2D6 eine spezifische 5-Methoxyindolethylamin-O-Demethylase ist11 , und auch 5-Methoxytryptamin12 wurde als Substrat nachgewiesen. Neben diesen Substraten spielt das Enzym wahrscheinlich auch eine wichtige Rolle beim Metabolismus von Nahrungsmittelbestandteilen, insbesondere von Alkaloiden (siehe unten).

Die Wirkung von CYP2D6 auf Substrate mit potenzieller Aktivität im Gehirn würde einen funktionellen Phänotyp bei Probanden implizieren, d.h. bei schlechten Metabolisierern (PMs), denen das Enzym fehlt. In der Tat haben zwei Studien auf einen signifikanten Zusammenhang zwischen dem Verhalten bei psychologischen Tests und dem Vorhandensein von CYP2D6 hingewiesen.13, 14 Es stellt sich die Frage, ob eine solche Aktivität wesentlich ist. Interessanterweise haben Pai et al.15 vor kurzem nachgewiesen, dass eine häufige Variante des Pseudogens CYP2D7P in aktiver Form im menschlichen Gehirn exprimiert werden kann, was zu einem funktionellen Enzymprodukt führt, das z. B. beim Metabolismus von Codein aktiv ist. Ob es sich dabei um ein Produkt von echter funktioneller Bedeutung handelt, muss noch geklärt werden, obwohl der Befund als solcher von Interesse ist.

CYP2D6-Polymorphismus – Historische Aspekte

Der Polymorphismus von CYP2D6 wurde unabhängig voneinander in drei verschiedenen Labors entdeckt. Folke Sjöqvists Labor zeigte, dass der Metabolismus von Nortriptylin und Desimipramin, die sich später als CYP2D6-Substrate herausstellten, bei gleicher Dosierung eine enorme interindividuelle Variation der Plasmaspiegel aufwies, und es wurden zwei Phänotypen identifiziert.16 Spätere Studien der Sjöqvist-Gruppe mit Zwillingen zeigten, dass der Unterschied genetischer Natur war. Bob Smith und seine Mitarbeiter in London untersuchten den Stoffwechsel von zwei Medikamenten gegen Bluthochdruck, Bethanidin und Debrisoquin. Als Bob Smith im Mai 1975 40 mg Debrisoquin einnahm, wurde ihm schwindlig, er wurde ohnmächtig und litt unter schwerem Blutdruckabfall. In einer nachfolgenden Studie mit 10 mg Debrisoquin bei 94 Probanden wurden die beiden Phänotypen identifiziert.17 Michel Eichelbaum in Bonn untersuchte die antiarrhytmischen Wirkungen von Spartein und zwei Probanden klagten über unangenehme Nebenwirkungen wie verschwommenes Sehen, Diploida, Schwindel und Kopfschmerzen. Die Analyse der Plasmaspiegel ergab, dass sie vier- bis fünfmal höhere Werte aufwiesen als die anderen, und die beiden Phänotypen wurden 1978 und 1979 veröffentlicht.18, 19

Die genetische Grundlage des Debrisoquin-Polymorphismus wurde 10-15 Jahre später aufgeklärt. In einer gemeinsamen Studie von Urs Meyers und Frank Gonzalez‘ Laboratorien wurden polyklonale Ratten-CYP2D-Antikörper, die in Basel entwickelt worden waren, als Werkzeuge verwendet, um die menschliche CYP2D6-cDNA aus einer menschlichen Leber-λgt-11-cDNA-Bibliothek zu klonieren, und die exprimierte cDNA hatte die erwartete Bufuralol-Hydroxylase-Aktivität.20 Mittels RFLP konnte Meyers Labor veränderte RFLP-Muster in PMs für Debrisoquin bestätigen,21 während die vollständige Identifizierung der CYP2D6*3- und CYP2D6*4-Allele 1990 veröffentlicht wurde.22

In den späten 80er Jahren identifizierten wir in fruchtbarer Zusammenarbeit mit Leif Bertilsson und Folke Sjöqvist ein RFLP-Muster bei Chinesen, das im CYP2D6-Stoffwechsel aktiv ist und auf PMs bei Kaukasiern23 hinweist, und charakterisierten später das häufigste teilweise defekte CYP2D6-Allel bei Orientalen, CYP2D6*10.24 Eine französische Gruppe widersprach unserer Größenbestimmung der chinesischen XbaI-Fragmente, und wir untersuchten mehrere verschiedene DNA-Proben erneut mittels XbaI-RFLP unter Verwendung einer geringeren Dichte des Agarosegels und fanden einige Proben, von denen wir annahmen, dass sie ungespaltene DNA enthielten (siehe Ingelman-Sundberg25 für weitere Einzelheiten). Die Untersuchung ihrer Herkunft ergab jedoch, dass sie von Personen stammten, die einen sehr schnellen Debrisoquin-Stoffwechsel aufweisen, und es wurden Personen mit bis zu 12 zusätzlichen CYP2D6-Genkopien identifiziert. Dies erwies sich als die erste Beschreibung eines stabil amplifizierten aktiven Gens beim Menschen26 und der Begriff ultraschnelle Metabolisierer (UMs) wurde definiert.27 Nachfolgende Untersuchungen der Häufigkeit in verschiedenen Populationen ergaben 30 % bei Äthiopiern,28 10 % bei Spaniern und 10 % der Populationen in Italien und der Türkei, während UMs in Nordeuropa selten (1-2 %) und in Asien praktisch nicht vorhanden sind (siehe6 für Referenzen). Bei Äthiopiern fanden wir kein Individuum, das homozygot für defekte CYP2D6-Gene war, sondern Allele, die 2, 3, 4 sowie 5 CYP2D6-Genkopien enthielten.28 Eine ähnliche Situation wurde auch bei Saudi-Arabern beobachtet.29 Die Auswertung der Anzahl der Personen, die CYP2D6-Genduplikationen in Westeuropa tragen, zeigt, dass 5,5 % der Europäer mehr als zwei aktive CYP2D6-Genkopien tragen und UMs sind (Tabelle 2).

CYP2D6 Genetischer Polymorphismus

Das CYP2D6-Gen ist auf dem Chromosom 22q13.1 lokalisiert. Der Locus enthält zwei benachbarte Pseudogene, CYP2D7 und CYP2D8.30 Die Evolution des menschlichen CYP2D-Locus hat zur Eliminierung von drei Genen und zur Inaktivierung von zwei (CYP2D7P und CYP2D8P) sowie zur teilweisen Inaktivierung eines Gens (CYP2D6) geführt. Gegenwärtig sind mehr als 46 verschiedene polymorphe CYP2D6-Allele bekannt. Das Vorhandensein der sehr ähnlichen, eng beieinander liegenden Pseudogene, die schädliche Mutationen tragen, hat z. B. durch ungleiche Crossover-Reaktionen zur Bildung vieler der varianten CYP2D6-Allele geführt, die in den meisten Fällen für defekte Genprodukte kodieren. Die „Aktivität“ des CYP2D-Lokus ist im Vergleich zu beispielsweise dem CYP2C-Lokus hoch, so dass sich in relativ kurzer Zeit viele Variantenallele gebildet haben. Die in den verschiedenen ethnischen Gruppen am häufigsten vorkommenden Variantenallele sind in Tabelle 3 aufgeführt, und alle Variantenallele sind auf der Homepage des Komitees für die Nomenklatur menschlicher CYP-Allele (http://www.imm.ki.se/cypalleles/cyp2d6.htm) aufgeführt. Die varianten CYP2D6-Allele können in Kategorien eingeteilt werden, die abgeschaltete, verminderte, normale, erhöhte oder qualitativ veränderte kataxlytische Aktivität verursachen. Zu den wichtigsten Varianten gehören CYP2D6*2, CYP2D6*4, CYP2D6*5, CYP2D6*10, CYP2D6*17 und CYP2D6*41.

Das häufigste Allel bei Asiaten (Allelhäufigkeit von >50%) und damit vielleicht das häufigste CYP2D6-Allel weltweit ist CYP2D6*10.24 Das CYP2D6.10-Enzym weist eine schädliche P34S-Mutation auf, durch die die wichtige PPGP-Sequenz, die für die Faltung von P450 notwendig ist, wegfällt, und ist daher sehr instabil,24 hat aber auch eine geringere Affinität für die Substrate.31 Bei Schwarzen ist CYP2D6*17, das 1996 erstmals beschrieben wurde32 , das wichtigste CYP2D6-Allel. Es kodiert zusätzlich zu den beiden Missense-Mutationen von CYP2D6*2 auch für T107I, das offenbar eine veränderte Struktur des aktiven Zentrums bewirkt. Dies führt zu einer veränderten Substratspezifität,33 die sich in vitro33, aber auch bei der Phänotypisierung von Personen mit dem CYP2D6*17-Genotyp in vivo zeigt.34, 35 Im Allgemeinen ist die Aktivität des CYP2D6.17-Enzyms geringer als die des Wildtyp-Enzyms.

CYP2D6*41 ist eine Variante von CYP2D6*2 mit -1584 C anstelle von G. Sie wird weniger stark exprimiert als das entsprechende CYP2D6*2-Allel (siehe Zanger et al36). Es ist plausibel, dass -1584G>C in einem Kopplungsungleichgewicht mit einem anderen SNP steht, der ein mangelhaftes Spleißen der mRNA verursacht, obwohl dies noch explizit nachgewiesen werden muss. Die Wirkung von CYP2D6*41 in vivo ist jedoch ziemlich ausgeprägt, und Personen, die homozygot für dieses Allel sind, sind phänotypisch wie Individuen des intermediären Phänotyps (IM) mit einem defekten CYP2D6-Allel.36

Evolution der CYP2D-Loci

Es gibt einen drastischen Unterschied zwischen Nagetieren und Menschen in der Anzahl der aktiven CYP2D-Gene. Während die Maus neun verschiedene aktive Cyp2d-Gene besitzt,37 trägt der Mensch nur eines, das sogar bei 7 % der kaukasischen Bevölkerung fehlt (Abbildung 1). Das CYP2D6-Enzym hat bekanntermaßen eine sehr hohe Affinität für Pflanzentoxine wie Alkaloide.10 Es ist anzunehmen, dass die Maus die Gene aufgrund der Notwendigkeit eines Entgiftungspotenzials in der Nahrung aktiv gehalten hat, während die eingeschränktere Nahrungsaufnahme des Menschen in der Vergangenheit einschließlich der intellektuellen Fähigkeit, Informationen über geeignete Nahrungsmittel zwischen den Generationen weiterzugeben, zu einem Verlust des Selektionsdrucks geführt hat, die Gene aktiv zu halten.

Das CYP2D6-Gen ist nicht im herkömmlichen Sinne durch erhöhte Genexpression des Genprodukts induzierbar. Bei Drosophila findet eine selektive Auslese von Stämmen statt, die z. B. im Gebiet des Senita-Kaktus leben, der giftige Isochinolin-Alkaloide absondert, und nur Drosophila mettleri, aber kein Drosophila melanogaster-Stamm überlebt in diesem Gebiet, weil sie CYP6 und CYP28 induzieren können.38 Eine interessante genetische Auslese findet auch bei Drosophila statt, die gegen Insektizide resistent ist. Zwischen 1930 und 1960 haben sich schnell insektizidresistente Flecken entwickelt. Interessanterweise scheint die molekulargenetische Grundlage die Selektion für eine Insertion eines Transposoms (Akkord-Element) in die 5′-Regulationsregion des Cyp6b-Gens zu sein, die zu einer 40- bis 100-fach höheren Expression des Genprodukts führt.39 Ein weiterer Mechanismus für den Erwerb von Insektizidresistenz bei Drosophila ist die Selektion für drei Schlüsselmutationen in CYP6A2, nämlich R335S, L336V und V476L, die das Enzym für den Metabolismus von DDT aktiv machen.40 Abbildung 2 veranschaulicht drei verschiedene Mechanismen für die adaptive Reaktion auf Substratstress.

Auch wir haben vorgeschlagen, dass eine solche Selektion für Allele mit mehreren aktiven CYP2D6-Genen in Nordostafrika stattgefunden hat. Die Grundlage für diese Auswahl wäre die Fähigkeit des CYP2D6-Enzyms, Alkaloide zu entgiften, wodurch die Verfügbarkeit potenzieller Nahrung bei Trägern mehrerer CYP2D6-Genkopien erhöht würde. Dies wäre sehr vorteilhaft für das Überleben in Hungerperioden, wenn nur ein Bruchteil der Population in dieser Region die Geschlechtsreife erreicht. Die Untersuchung der Geschwindigkeit des Debrisoquin-Stoffwechsels bei in Äthiopien lebenden Äthiopiern im Vergleich zu in Schweden lebenden Äthiopiern ergab, dass einheimische Äthiopier desselben Genotyps in ihrem Stoffwechsel langsamer waren als Äthiopier in Schweden, während bei der Geschwindigkeit der CYP2C19-abhängigen katalytischen Reaktionen, gemessen mit S-Mephenytoin, keine signifikanten Unterschiede festgestellt wurden.41 Dies kann dahingehend interpretiert werden, dass Bestandteile der äthiopischen Nahrung, vermutlich Alkaloide, die CYP2D6-Aktivität hemmen und dass solche Komponenten tatsächlich ein Auslöser für die genetische Selektion sein könnten. Wir vermuten, dass sich die äthiopische Bevölkerung vor etwa 10 000-20 000 Jahren so stark ausbreitete, dass die Nahrung eine wichtige Einschränkung darstellte. In Zeiten des Hungers kam es zu einem Selektionsdruck, der das Überleben von Individuen begünstigte, die in der Lage waren, Pflanzentoxine in höherem Maße zu entgiften, wodurch die Zahl der Pflanzen, die nützliche Nahrung liefern konnten, zunahm (Abbildung 3). Dies führte zur Ausbreitung von Subpopulationen, die mehrere aktive CYP2D6-Genkopien tragen, aber auch ohne inaktive CYP2D6-Gene. Da die bei weitem häufigsten Varianten des duplizierten und multiduplizierten CYP2D6-Gens CYP2D6*2 und CYP2D6*41 sind, die beide zwei Aminosäuresubstitutionen im Vergleich zu CYP2D6*1 aufweisen, lässt sich vermuten, dass die Substratspezifität dieser Form des Enzyms für den Stoffwechsel bestimmter Pflanzenprodukte von Vorteil ist. Die nachfolgenden Migrationen von Menschen aus Nordostafrika in den Mittelmeerraum führten zu der hohen Häufigkeit von UMs in Südeuropa (vgl. Tabelle 2).