Polymorphismes génétiques du cytochrome P 450 2D6 (CYP2D6) : conséquences cliniques, aspects évolutifs et diversité fonctionnelle

La pharmacogénétique traitant des différences héréditaires dans les cibles des médicaments, et de la disposition des médicaments sous la forme de récepteurs et de transporteurs de médicaments se développe rapidement1, 2, 3, 4, 5 Actuellement, nos connaissances sont plus avancées en ce qui concerne l’influence des gènes polymorphiquement distribués codant pour les enzymes du métabolisme des médicaments, bien que les connaissances sur les récepteurs et les transporteurs de médicaments augmentent rapidement. À l’heure actuelle, les différences de capacité de métabolisation des médicaments dues à un polymorphisme génétique ou à l’inhibition ou l’induction du métabolisme des médicaments sont les plus importantes pour les différences interindividuelles dans la réponse aux médicaments. Outre les interactions médicamenteuses, les facteurs physiopathologiques et les facteurs environnementaux, la génétique des enzymes du métabolisme des médicaments joue un rôle essentiel dans la compréhension des différences interindividuelles dans la réponse aux médicaments et les effets indésirables des médicaments. Ce sont les cytochromes P450, les principales enzymes de la phase I, qui ont le plus d’impact sur le métabolisme des médicaments.6, 7 Parmi eux, CYP2C9, CYP2C19 et CYP2D6 sont très polymorphes et représentent ensemble environ 40 % du métabolisme de la phase I du foie humain. En outre, les polymorphismes de CYP1A2, CYP2A6, CYP2B6 et CYP2C8 contribuent également aux différences interindividuelles dans le métabolisme des médicaments. Le CYP2D6 est peut-être l’enzyme métabolique polymorphe la plus étudiée chez l’homme ; son polymorphisme a une grande importance clinique et a été le premier parmi les P450 polymorphes à être caractérisé au niveau moléculaire. Aujourd’hui, plus de 48 substrats de médicaments différents pour cette enzyme ont été identifiés (tableau 1) et le CYP2D6 est responsable d’environ 25 % du métabolisme des médicaments connus. Ce chiffre pourrait toutefois être légèrement surestimé car, dans le passé, les médicaments qui sont métabolisés par cette enzyme, en raison de son expression polymorphe, ont été spécifiquement recherchés. Dans la présente revue, les connaissances actuelles et les conséquences de la génétique moléculaire du CYP2D6 sont décrites ainsi que les connaissances de l’impact sur le traitement médicamenteux.

Caractéristiques générales du CYP2D6

Le CYP2D6 est un polypeptide de 497 acides aminés. L’enzyme ne représente qu’un faible pourcentage de toutes les P450 hépatiques, mais son rôle dans le métabolisme des médicaments est largement supérieur à sa teneur relative (voir Zanger et al8). Les différents modèles de l’enzyme basés sur la structure tridimensionnelle du cytochrome P450 BM-3 ou CYP2C5, et les résultats de la mutagenèse dirigée vers le site diffèrent beaucoup les uns des autres. Malgré le succès des cristaux bien diffractés du CYP2B4, CYP2C5, CYP2C9 et CYP3A4 des mammifères, personne n’a encore réussi à obtenir de bons cristaux de CYP2D6. On pense que de tels cristaux sont nécessaires pour obtenir un modèle dont la résolution et la précision sont suffisantes pour, par exemple, prédire les médicaments qui seront des substrats de cette enzyme. Un tel modèle serait d’une grande importance pour l’industrie pharmaceutique car une conception de médicament évitant les composés qui sont des substrats de haute affinité pour le CYP2D6 est centrale pour un produit réussi sur le marché.

Les substrats du CYP2D6 sont des bases lipophiles avec un atome d’azote protonable. La réaction d’hydroxylation a lieu à une distance de 5 ou 7 Å de l’atome d’azote. Des expériences de mutagenèse dirigée indiquent que l’Asp301 est l’acide aminé chargé négativement responsable de la liaison avec l’azote du substrat8. En outre, Ser304, Thr309 et Val370 semblent également être impliqués dans la liaison au substrat9, bien que d’autres modèles soient nécessaires pour le confirmer.

CYP2D6 a une affinité très élevée pour les alcaloïdes (voir tableau 1).10 L’expression de l’enzyme est, contrairement aux autres cytochromes P450 hépatiques métabolisant les xénobiotiques, non régulée par aucun agent environnemental connu et n’est pas inductible par des hormones connues. Comme aucun phénotype n’a été décrit chez les sujets dépourvus de CYP2D6 ou possédant jusqu’à 13 copies actives du gène, on pourrait en conclure que l’enzyme n’a pas de fonction endogène majeure. Un rôle pour le métabolisme de certains neurotransmetteurs a été suggéré. En effet, il a été récemment prouvé que le CYP2D6 est une O-déméthylase spécifique de la 5-méthoxyindolethylamine11, et il a également été démontré que la 5-méthoxytryptamine12 est un substrat. Outre ces substrats, il est probable que l’enzyme joue un rôle majeur dans le métabolisme des constituants alimentaires, en particulier les alcaloïdes (voir ci-dessous).

L’action du CYP2D6 sur les substrats d’activité potentielle dans le cerveau impliquerait un phénotype fonctionnel sur les sujets, c’est-à-dire les mauvais métaboliseurs (PM) dépourvus de l’enzyme. En fait, deux études ont indiqué une relation significative entre le comportement lors de tests psychologiques et la présence de CYP2D6.13, 14 La question se pose de savoir si une telle activité est essentielle. Il est intéressant de noter que Pai et al15 ont récemment apporté la preuve qu’une variante commune du pseudogène CYP2D7P pouvait être exprimée sous une forme active dans le cerveau humain, donnant un produit enzymatique fonctionnel actif dans le métabolisme de la codéine, par exemple. Il reste à élucider si cela représente un produit d’une véritable importance fonctionnelle, bien que la découverte en tant que telle soit intéressante.

Polymorphisme du CYP2D6-Aspects historiques

Le polymorphisme du CYP2D6 a été découvert indépendamment dans trois laboratoires différents. Le laboratoire de Folke Sjöqvist a montré que le métabolisme de la nortriptyline et de la désimipramine, dont il a été démontré par la suite qu’elles étaient des substrats du CYP2D6, présentait une énorme variation interindividuelle des niveaux plasmatiques à la même dose et deux phénotypes ont été identifiés.16 Des études ultérieures du groupe de Sjöqvist utilisant des jumeaux ont révélé que la différence était de nature génétique. Bob Smith et ses collègues de Londres ont étudié le métabolisme de deux médicaments antihypertenseurs, la béthanidine et la débrisoquine, utilisés pour l’hypertension. En mai 1975, lorsque Bob Smith a pris 40 mg de débrisoquine, il a eu des vertiges, s’est évanoui et a souffert d’une grave hypotension. Une étude ultérieure avec 10 mg de débrisoquine chez 94 sujets a permis d’identifier les deux phénotypes.17 Michel Eichelbaum à Bonn a étudié les effets antiarythmiques de la spartéine et deux sujets se sont plaints d’effets secondaires désagréables comme une vision floue, des vertiges et des maux de tête. L’analyse des niveaux plasmatiques a révélé qu’ils avaient des niveaux 4 à 5 fois plus élevés que les autres et les deux phénotypes ont été publiés en 1978 et 1979.18, 19

La base génétique derrière le polymorphisme de la débrisoquine a été élucidée 10-15 ans plus tard. Dans une étude collaborative entre les laboratoires d’Urs Meyers et de Frank Gonzalez, des anticorps polyclonaux de rat CYP2D développés à Bâle ont été utilisés comme outils pour cloner l’ADNc du CYP2D6 humain à partir d’une bibliothèque d’ADNc du foie humain λgt 11 et l’ADNc exprimé avait l’activité hydroxylase attendue du bufuralol20. En utilisant la RFLP, le laboratoire de Meyers a pu confirmer des schémas RFLP modifiés dans les PM pour la débrisoquine,21 alors que l’identification complète des allèles CYP2D6*3 et CYP2D6*4 a été publiée en 1990.22

À la fin des années 1980, nous avons identifié, dans le cadre d’une collaboration fructueuse avec Leif Bertilsson et Folke Sjöqvist, un schéma RFLP chez les Chinois actif dans le métabolisme du CYP2D6, indicatif des PM chez les Caucasiens23 et avons ensuite caractérisé l’allèle du CYP2D6 partiellement défectueux le plus courant chez les Orientaux, le CYP2D6*10.24 Le groupe français s’étant opposé à notre identification de la taille des fragments XbaI chinois, nous avons repassé au crible plusieurs échantillons d’ADN différents par XbaI RFLP en utilisant une densité plus faible du gel d’agarose et avons trouvé certains échantillons dont nous pensions qu’ils contenaient de l’ADN non clivé (voir Ingelman-Sundberg25 pour plus de détails). Cependant, l’examen de leur origine a révélé qu’ils provenaient d’individus très rapides pour le métabolisme de la débrisoquine et des sujets ayant jusqu’à 12 copies supplémentaires du gène CYP2D6 ont été identifiés. Ceci s’est avéré être la première description d’un gène actif amplifié de façon stable chez l’homme26 et le terme de métabolisateurs ultrarapides (UMs) a été défini.27 Des enquêtes ultérieures sur les fréquences dans différentes populations ont révélé que 30 % chez les Éthiopiens,28 10 % chez les Espagnols et 10 % des populations en Italie et en Turquie, alors que les UMs sont rares (1-2 %) en Europe du Nord et essentiellement absents en Asie (voir6 pour les références). Chez les Éthiopiens, nous n’avons trouvé aucun individu homozygote pour les gènes CYP2D6 défectueux mais des allèles contenant 2, 3, 4 ainsi que 5 copies du gène CYP2D6.28 Une situation similaire a également été observée chez les Saoudiens.29 L’évaluation du nombre de sujets porteurs de duplications du gène CYP2D6 en Europe occidentale révèle que 5,5 % des Européens sont porteurs de plus de deux copies actives du gène CYP2D6 et sont des UM (tableau 2).

Polymorphisme génétique du CYP2D6

Le gène CYP2D6 est localisé sur le chromosome 22q13.1. Le locus contient deux pseudogènes voisins, CYP2D7 et CYP2D8.30 L’évolution du locus CYP2D humain a impliqué l’élimination de trois gènes et l’inactivation de deux (CYP2D7P et CYP2D8P) et l’inactivation partielle d’un (CYP2D6). À l’heure actuelle, on connaît plus de 46 allèles majeurs polymorphes différents du CYP2D6. La présence de pseudogènes très similaires et proches les uns des autres, porteurs de mutations préjudiciables, a conduit, par exemple par des réactions de crossover inégales, à la formation d’un grand nombre d’allèles CYP2D6 variants, qui codent le plus souvent pour des produits génétiques défectueux. L' »activité » du locus CYP2D est élevée par rapport, par exemple, au locus CYP2C et, par conséquent, de nombreux allèles variants ont été formés en un laps de temps relativement court. Les allèles variants les plus courants distribués dans différents groupes ethniques sont énumérés dans le tableau 3 et tous les allèles variants sont présentés sur la page d’accueil du comité de nomenclature des allèles du CYP humain (http://www.imm.ki.se/cypalleles/cyp2d6.htm). Les allèles variants du CYP2D6 peuvent être classés en catégories, qui entraînent une activité cataxlytique abolie, diminuée, normale, accrue ou qualitativement altérée. Parmi les variants les plus importants figurent le CYP2D6*2, le CYP2D6*4, le CYP2D6*5, le CYP2D6*10, le CYP2D6*17 et le CYP2D6*41.

L’allèle le plus courant chez les Asiatiques (fréquence de l’allèle de >50%) et donc peut-être l’allèle CYP2D6 le plus courant dans le monde est le CYP2D6*10.24 L’enzyme CYP2D6.10 présente une mutation délétère P34S abolissant l’importante séquence PPGP nécessaire au repliement du P450 et est donc très instable,24 mais elle présente également une affinité réduite pour les substrats.31 Chez les Noirs, l’allèle CYP2D6*17, décrit pour la première fois en 199632, est la principale variante du CYP2D6. Il code, en plus des deux mutations faux-sens observées dans le CYP2D6*2, T107I, qui semble modifier la structure du site actif. Cela crée une spécificité de substrat altérée,33 ce qui est évident in vitro33 mais aussi lorsque des sujets du génotype CYP2D6*17 sont phénotypés in vivo34 , 35 En général, l’activité de l’enzyme CYP2D6.17 est inférieure à celle de l’enzyme de type sauvage.

CYP2D6*41 est une variante du CYP2D6*2 ayant -1584 C au lieu de G. Il est moins exprimé que l’allèle CYP2D6*2 correspondant (voir Zanger et al36). Il est plausible que -1584G>C soit en déséquilibre de liaison avec un autre SNP qui provoque un épissage déficient de l’ARNm, bien que cela doive être explicitement démontré. L’effet in vivo de CYP2D6*41 est cependant assez prononcé et les sujets homozygotes pour cet allèle sont phénotypiquement comme les individus du phénotype intermédiaire (IM) avec un allèle CYP2D6 déficient.36

Évolution des loci CYP2D

Il existe une différence drastique entre les rongeurs et les humains dans le nombre de gènes CYP2D actifs. Alors que la souris possède neuf gènes Cyp2d actifs différents37, l’homme n’en porte qu’un seul, qui est d’ailleurs absent de 7% de la population caucasienne (Figure 1). L’enzyme CYP2D6 est connue pour avoir une très grande affinité pour les toxines végétales comme les alcaloïdes10. Il est raisonnable de supposer que la souris a conservé les gènes actifs en raison d’un besoin d’un potentiel de détoxification alimentaire, alors que la nourriture plus restreinte prise par les humains dans le passé, y compris la capacité intellectuelle de transférer des informations concernant les aliments appropriés entre les générations, a entraîné la perte d’une pression de sélection comme pour maintenir les gènes actifs.

Le gène CYP2D6 n’est pas inductible au sens commun par une augmentation de l’expression du produit du gène. Chez la drosophile, il se produit une sélection sélective des souches vivant, par exemple, dans la zone du cactus Senita sécrétant des alcaloïdes isoquinoléines toxiques et seule la Drosophila mettleri mais aucune souche de Drosophila melanogaster ne survit dans cette zone en raison de leur capacité à induire le CYP6 et le CYP28.38 Une sélection génétique intéressante se produit également chez la drosophile étant résistante aux insecticides. De 1930 à 1960, les taches résistantes aux insecticides ont rapidement évolué. Il est intéressant de noter que la base génétique moléculaire semble être la sélection pour l’insertion d’un transposome (élément d’accord) dans la région 5′-régulatrice du gène Cyp6b entraînant une expression 40 à 100 fois plus élevée du produit du gène.39 Un autre mécanisme d’acquisition de la résistance aux insecticides chez la drosophile est illustré par la sélection pour trois mutations clés dans le CYP6A2, à savoir R335S, L336V et V476L, rendant l’enzyme active pour le métabolisme du DDT.40 Une illustration de trois mécanismes différents de réponse adaptative face à un stress de substrat est présentée dans la figure 2.

De même, nous avons proposé qu’une telle sélection se soit produite pour les allèles portant plusieurs gènes CYP2D6 actifs en Afrique du Nord-Est. La base de cette sélection serait la capacité de l’enzyme CYP2D6 à détoxifier les alcaloïdes, augmentant ainsi la disponibilité de nourriture potentielle parmi les porteurs de copies multiples du gène CYP2D6. Cela serait très bénéfique pour la survie en période de famine lorsque seule une fraction de la population de cette région atteint la maturité. L’examen de la vitesse du métabolisme de la débrisoquine chez les Éthiopiens vivant en Éthiopie par rapport aux Éthiopiens vivant en Suède a révélé que les Éthiopiens natifs du même génotype étaient plus lents dans leur métabolisme par rapport aux Éthiopiens de Suède, alors qu’aucune différence significative n’a été trouvée dans la vitesse des réactions catalytiques dépendantes du CYP2C19, mesurée avec la S-méphénytoïne41. Ces résultats peuvent être interprétés de la manière suivante : les composants de l’alimentation éthiopienne, vraisemblablement des alcaloïdes, inhibent l’activité du CYP2D6 et ces composants pourraient en effet être un facteur de sélection génétique. Nous proposons que la population éthiopienne se soit étendue il y a environ 10 000 à 20 000 ans à un point tel que la nourriture représentait une contrainte importante. Pendant les périodes de famine, une pression de sélection s’est produite favorisant la survie des sujets capables de détoxifier les toxines végétales dans une plus grande mesure, augmentant ainsi le nombre de plantes pouvant fournir une nourriture utile (Figure 3). Cela a créé une expansion des sous-populations portant de multiples copies de gènes CYP2D6 actifs et également sans gènes CYP2D6 inactifs. Étant donné que les variantes de loin les plus courantes du gène CYP2D6 dupliqué et multidupliqué sont CYP2D6*2 et CYP2D6*41, qui créent toutes deux deux substitutions d’acides aminés par rapport à CYP2D6*1, on peut supposer que la spécificité du substrat de cette forme de l’enzyme est bénéfique pour le métabolisme de certains produits végétaux. Les migrations ultérieures de sujets de l’Afrique du Nord-Est vers la région méditerranéenne ont entraîné la fréquence élevée des UM en Europe du Sud (cf tableau 2).

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