Genetic polymorphisms of cytochrome P450 2D6 (CYP2D6): clinical consequences, evolutionary aspects and functional diversity

A gyógyszercélpontok öröklött eltéréseivel, valamint a gyógyszerreceptorok és -szállítók formájában megjelenő gyógyszerdiszpozícióval foglalkozó farmakogenetika gyorsan fejlődik.1, 2, 3, 4, 5 Jelenleg ismereteink a legfejlettebbek a gyógyszer-metabolizáló enzimeket kódoló polimorfikusan eloszló gének hatása tekintetében, bár a gyógyszerreceptorokról és -transzporterekről szóló ismeretek gyorsan bővülnek. A legnagyobb jelentőséget a gyógyszerre adott válasz interindividuális különbségeiben jelenleg a genetikai polimorfizmus, illetve a gyógyszer-metabolizmus gátlása vagy indukciója által okozott gyógyszer-metabolizációs képességbeli különbségek gyakorolják. A gyógyszer-gyógyszer kölcsönhatások, a patofiziológiai tényezők és a környezeti tényezők mellett a gyógyszer-metabolizáló enzimek genetikája is döntő szerepet játszik a gyógyszerre adott válasz és a mellékhatások egyénenkénti különbségeinek megértésében. A gyógyszer-metabolizáló enzimek közül a legnagyobb hatást a citokróm P450-ek, a fő fázis I enzimek gyakorolják.6, 7 Ezek közül a CYP2C9, CYP2C19 és CYP2D6 erősen polimorf, és együttesen a hepatikus humán fázis I metabolizmus mintegy 40%-át teszik ki. Ezenkívül a CYP1A2, CYP2A6, CYP2B6 és CYP2C8 polimorfizmusai is hozzájárulnak a gyógyszer-metabolizmus egyénenkénti különbségeihez. A CYP2D6 talán a legterjedelmesebben vizsgált polimorfikusan kifejeződő gyógyszer-metabolizáló enzim az emberben; polimorfizmusa nagy klinikai jelentőséggel bír, és a polimorf P450-ek közül elsőként jellemezték molekuláris szinten. Mára több mint 48 különböző gyógyszer-szubsztrátot azonosítottak ennek az enzimnek (1. táblázat), és a CYP2D6 az ismert gyógyszerek metabolizmusának mintegy 25%-áért felelős. Ez azonban enyhe túlbecslés lehet, mivel a múltban kifejezetten olyan gyógyszereket kerestek, amelyeket ez az enzim metabolizál, polimorf kifejeződése miatt. Jelen áttekintésben a CYP2D6 molekuláris genetikájának jelenlegi ismereteit és következményeit, valamint a gyógyszeres kezelésre gyakorolt hatásának ismereteit ismertetjük.

A CYP2D6 általános jellemzői

A CYP2D6 egy 497 aminosavból álló polipeptid. Az enzim az összes hepatikus P450-nek csak kis százalékát teszi ki, de a gyógyszer-metabolizmusban betöltött szerepe messze meghaladja relatív tartalmát (lásd Zanger és mtsai8). Az enzim különböző modelljei, amelyek a citokróm P450 BM-3 vagy CYP2C5 háromdimenziós szerkezetén alapulnak, valamint a helyirányított mutagenezis eredményei nagymértékben eltérnek egymástól. Annak ellenére, hogy az emlős CYP2B4, CYP2C5, CYP2C9 és CYP3A4 jól diffraktáló kristályait sikeresen sikerült előállítani, a CYP2D6 jó kristályait még senki sem tudta előállítani. Úgy vélik, hogy ilyen kristályokra van szükség ahhoz, hogy olyan modellekhez kapjunk sablont, amelyek kellő felbontásúak és pontosak ahhoz, hogy például megjósolhassuk azokat a gyógyszereket, amelyek ennek az enzimnek a szubsztrátjai lesznek. Egy ilyen modell komoly jelentőséggel bírna a gyógyszeripar számára, mivel egy olyan gyógyszertervezés, amely elkerüli a CYP2D6 számára nagy affinitású szubsztrátnak minősülő vegyületeket, központi jelentőségű a sikeres piaci megjelenés szempontjából.

A CYP2D6 szubsztrátok olyan lipofil bázisok, amelyek protonálható nitrogénatomot tartalmaznak. A hidroxilálási reakció a nitrogénatomtól 5 vagy 7 Å távolságban zajlik. A helyirányított mutageneziskísérletek azt mutatják, hogy az Asp301 a negatív töltésű aminosav, amely a szubsztrát nitrogénjéhez való kötődésért felelős.8 Ezenkívül úgy tűnik, hogy a Ser304, Thr309 és Val370 is részt vesz a szubsztrátkötésben9 , bár a megerősítéshez további modellekre van szükség.

A CYP2D6 igen nagy affinitással rendelkezik az alkaloidok iránt (lásd 1. táblázat).10 Az enzim expresszióját – más májbeli xenobiotikumokat metabolizáló citokróm P450-ekkel ellentétben – nem szabályozza semmilyen ismert környezeti tényező, és nem indukálható ismert hormonokkal. Mivel a CYP2D6-ot nem tartalmazó vagy legfeljebb 13 aktív génkópiával rendelkező személyek esetében nem írtak le fenotípust, arra lehet következtetni, hogy az enzimnek nincs jelentős endogén funkciója. Egyes neurotranszmitterek metabolizmusának szerepét feltételezték. Valóban, a közelmúltban bizonyítékot mutattak be arra, hogy a CYP2D6 specifikus 5-metoxi-indol-etilamin O-demetiláz,11 és az 5-metoxitriptamin12 is szubsztrátnak bizonyult. Az ilyen szubsztrátokon kívül valószínű, hogy az enzimnek jelentős szerepe van az élelmiszer-összetevők, különösen az alkaloidok metabolizmusában (lásd alább).

A CYP2D6 agyban potenciálisan aktív szubsztrátokra gyakorolt hatása funkcionális fenotípust jelentene az enzimet nélkülöző alanyokon, azaz a szegény metabolizálókon (PM). Tény, hogy két vizsgálat is szignifikáns összefüggést jelzett a pszichológiai teszteket alkalmazó viselkedés és a CYP2D6 jelenléte között.13, 14 Felmerül a kérdés, hogy ez a tevékenység lényeges-e. Érdekes módon Pai és munkatársai15 a közelmúltban bizonyítékot szolgáltattak arra, hogy a CYP2D7P pszeudogén egy gyakori változata aktív formában is kifejeződhet az emberi agyban, így egy olyan funkcionális enzimtermék keletkezik, amely aktív például a kodein metabolizmusában. Hogy ez valóban funkcionális jelentőségű terméket jelent-e, még tisztázásra vár, bár a felfedezés mint olyan érdekes.

CYP2D6 polimorfizmus-történelmi vonatkozások

A CYP2D6 polimorfizmusát egymástól függetlenül három különböző laboratóriumban fedezték fel. Folke Sjöqvist laboratóriuma kimutatta, hogy a később CYP2D6 szubsztrátnak bizonyult nortriptilin és desimipramin metabolizmusa azonos dózis mellett óriási interindividuális eltérést mutat a plazmaszintekben, és két fenotípust azonosítottak.16 A Sjöqvist-csoport későbbi, ikreket használó vizsgálatai kimutatták, hogy a különbség genetikai természetű. Bob Smith és munkatársai Londonban két hipertónia elleni gyógyszer, a betanidin és a debriszokin metabolizmusát vizsgálták, amelyeket magas vérnyomás kezelésére alkalmaztak. Amikor Bob Smith 1975 májusában 40 mg debriszokint vett be, szédült, elájult és súlyos hipotenziótól szenvedett. Egy későbbi, 10 mg debriszokinnal végzett vizsgálat 94 alanyon azonosította a két fenotípust.17 Michel Eichelbaum Bonnban a spartein antiarrhytmiás hatását vizsgálta, és két alany olyan kellemetlen mellékhatásokra panaszkodott, mint homályos látás, diploida, szédülés és fejfájás. A plazmaszintek elemzése kimutatta, hogy 4-5-ször magasabb volt a szintjük, mint a többieké, és a két fenotípust 1978-ban és 1979-ben publikálták.18, 19

A debriszokin-polimorfizmus genetikai alapjait 10-15 évvel később tisztázták. Urs Meyers és Frank Gonzalez laboratóriumai közötti közös vizsgálatban a Bázelben kifejlesztett poliklonális patkány CYP2D antitesteket használták eszközként a humán CYP2D6 cDNS klónozására egy humán máj λgt 11 cDNS könyvtárból, és az expresszált cDNS rendelkezett a várt bufuralol-hidroxiláz aktivitással.20 RFLP segítségével Meyers laboratóriuma meg tudta erősíteni a PM-ek megváltozott RFLP-mintázatát a debriszokin esetében,21 míg a CYP2D6*3 és CYP2D6*4 allélok teljes azonosítását 1990-ben publikálták.22

A nyolcvanas évek végén Leif Bertilssonnal és Folke Sjöqvisttel gyümölcsöző együttműködésben azonosítottunk egy, a CYP2D6 metabolizmusában aktív, a kaukázusiak PM-jeire utaló RFLP-mintázatot kínaiaknál23 , majd később jellemeztük a keletiek leggyakoribb, részben hibás CYP2D6 allélját, a CYP2D6*10-et.24 A francia csoport ellenezte a kínai XbaI-fragmentumok méretazonosítását, és több különböző DNS-mintát XbaI RFLP-vel újra átvizsgáltunk az agarózgél kisebb sűrűségét használva, és találtunk néhány olyan mintát, amelyekről azt gondoltuk, hogy nem bontott DNS-t tartalmaznak (további részletekért lásd Ingelman-Sundberg25). A származásuk vizsgálata azonban kimutatta, hogy a debriszokin metabolizmusát tekintve nagyon gyors személyektől származnak, és olyan alanyokat azonosítottunk, akiknél akár 12 extra CYP2D6 génkópiát is találtunk. Kiderült, hogy ez volt az első leírása egy stabilan amplifikált aktív génnek emberben26 , és meghatározták az ultrarapid metabolizálók (UM-ek) kifejezést.27 A különböző populációkban való gyakoriságot vizsgáló későbbi vizsgálatok 30%-ot mutattak ki az etiópoknál,28 10%-ot a spanyoloknál és 10%-ot Olaszország és Törökország populációiban, míg az UM-ek Észak-Európában ritkák (1-2%), Ázsiában pedig lényegében hiányoznak (lásd6 a hivatkozásokat). Az etiópoknál nem találtunk CYP2D6 génhibára homozigóta egyedet, de találtunk 2, 3, 4, valamint 5 CYP2D6 génkópiát tartalmazó allélokat.28 Hasonló helyzetet tapasztaltunk a szaúd-arábiaiaknál is.29 A CYP2D6 génduplikációt hordozó személyek számának értékelése Nyugat-Európában azt mutatja, hogy az európaiak 5,5%-a hordoz több mint két aktív CYP2D6 génkópiát és UM-nek számít (2. táblázat).

CYP2D6 genetikai polimorfizmus

A CYP2D6 gén a 22q13.1 kromoszómán lokalizálódik. A lókusz két szomszédos pszeudogént tartalmaz, a CYP2D7-et és a CYP2D8-at.30 A humán CYP2D lókusz evolúciója három gén eliminációját és két gén (CYP2D7P és CYP2D8P) inaktiválását, valamint egy (CYP2D6) részleges inaktiválását jelentette. Jelenleg több mint 46 különböző fő polimorf CYP2D6 allél ismert. A nagyon hasonló, szorosan elhelyezkedő, káros mutációkat hordozó pszeudogének jelenléte például egyenlőtlen keresztezési reakciók révén számos CYP2D6-variáns allél kialakulásához vezetett, amelyek leggyakrabban hibás géntermékeket kódolnak. A CYP2D-lokusz “aktivitása” magas, például a CYP2C-lokuszhoz képest, és ennek eredményeként viszonylag rövid idő alatt sok variáns allél alakult ki. A különböző etnikai csoportokban elterjedt leggyakoribb variáns allélokat a 3. táblázat tartalmazza, és az összes variáns allélt a humán CYP allél-nómenklatúra bizottság honlapja (http://www.imm.ki.se/cypalleles/cyp2d6.htm) mutatja be. A variáns CYP2D6 allélok kategóriákba sorolhatók, amelyek megszüntetett, csökkent, normális, megnövekedett vagy minőségileg megváltozott kataklizáló aktivitást okoznak. A legfontosabb variánsok közé tartoznak a CYP2D6*2, CYP2D6*4, CYP2D6*5, CYP2D6*10, CYP2D6*17 és CYP2D6*41.

Az ázsiaiaknál leggyakoribb allél (allélfrekvencia >50%) és így talán a világon a leggyakoribb CYP2D6 allél a CYP2D6*10.24 A CYP2D6.10 enzimnek van egy káros P34S mutációja, amely eltörli a P450 hajtogatásához szükséges fontos PPGP szekvenciát, ezért nagyon instabil,24 de a szubsztrátok iránti affinitása is csökkent.31 A feketék körében az 1996-ban először leírt CYP2D6*1732 a CYP2D6 fő variáns allélja. Ez a CYP2D6*2-ben látható két miszense mutáción kívül a T107I-t is kódolja, amely nyilvánvalóan megváltozott aktív centrumszerkezetet eredményez. Ez megváltozott szubsztrátspecificitást hoz létre,33 ami in vitro33 , de akkor is nyilvánvaló, amikor a CYP2D6*17 genotípusú alanyokat in vivo fenotipizálják34, 35 Általában a CYP2D6.17 enzim aktivitása alacsonyabb, mint a vad típusú enzimé.

CYP2D6*41 a CYP2D6*2 egyik változata, amelyben G helyett -1584 C van, és kevésbé expresszálódik, mint a megfelelő CYP2D6*2 allél (lásd Zanger et al36). Valószínűsíthető, hogy a -1584G>C kötődési egyensúlyban van egy másik SNP-vel, amely az mRNS hiányos splicingjét okozza, bár ezt még kifejezetten ki kell mutatni. A CYP2D6*41 in vivo hatása azonban meglehetősen kifejezett, és az erre az allélra homozigóta alanyok fenotípusosan olyanok, mint az egy hiányos CYP2D6 alléllal rendelkező intermedier fenotípusú (IM) egyedek.36

A CYP2D loci evolúciója

A rágcsálók és az ember között drasztikus különbség van az aktív CYP2D gének számában. Míg az egér kilenc különböző aktív Cyp2d génnel rendelkezik,37 az ember csak egyet hordoz, amely valóban hiányzik a kaukázusi populáció 7%-ából (1. ábra). A CYP2D6 enzimről ismert, hogy nagyon nagy affinitással rendelkezik a növényi toxinok, például az alkaloidok iránt10. Ésszerűen feltételezhető, hogy az egér azért tartotta meg a géneket aktívan, mert szüksége volt a táplálék méregtelenítő potenciáljára, míg az ember által a múltban fogyasztott korlátozottabb táplálék, beleértve a megfelelő táplálékra vonatkozó információk generációk közötti átadásának szellemi képességét, azt eredményezte, hogy a gének aktívan tartására irányuló szelekciós nyomás megszűnt.

A CYP2D6 gén nem indukálható köznapi értelemben a géntermék fokozott génexpressziója révén. Drosophilában szelektív szelekció zajlik például a mérgező izokinolin alkaloidokat kiválasztó Senita kaktusz területén élő törzsek között, és csak a Drosophila mettleri, de egyetlen Drosophila melanogaster törzs sem marad életben ezen a területen, mert képesek a CYP6 és CYP28 indukálására.38 Érdekes genetikai szelekció zajlik a rovarölő szerekkel szemben rezisztens Drosophilában is. Az 1930 és 1960 közötti időszakban rovarölőszer-rezisztens foltok gyorsan fejlődtek. Érdekes módon a molekuláris genetikai alapnak tűnik a Cyp6b gén 5′-szabályozó régiójába történő transzpozíció (accord elem) szelekciója, amely a géntermék 40-100-szoros expresszióját okozza.39 A rovarölőszer-rezisztencia megszerzésének másik mechanizmusát a Drosophilában a CYP6A2 három kulcsfontosságú mutációjának szelekciója példázza, azaz az R335S, L336V és V476L, amelyek az enzimet a DDT metabolizmusa felé aktívvá teszik.40 A szubsztrátstresszre adott adaptív válasz három különböző mechanizmusának szemléltetése a 2. ábrán látható.

Hasonlóképpen azt javasoltuk, hogy Északkelet-Afrikában a több aktív CYP2D6 gént hordozó allélok esetében is ilyen szelekció történt. E szelekció alapja az lenne, hogy a CYP2D6 enzim képes az alkaloidok detoxikálására, ezáltal növelve a potenciális élelmiszerek elérhetőségét a több CYP2D6 génmásolat hordozói között. Ez nagyon előnyös lenne a túlélés szempontjából az éhezési időszakokban, amikor a populációnak csak egy töredéke éri el az ivarérettséget ebben a régióban. Az Etiópiában élő etiópok és a Svédországban élő etiópok között a debriszokin metabolizmusának sebességét vizsgálva kiderült, hogy az azonos genotípusú, őshonos etiópok metabolizmusa lassabb volt a Svédországban élő etiópokhoz képest, míg a CYP2C19 függő katalitikus reakciók sebességében nem találtak jelentős különbségeket az S-mfenitoinnal mérve41. Ez úgy értelmezhető, hogy az etiópiai élelmiszerekben található összetevők, feltehetően alkaloidok, gátolják a CYP2D6 aktivitását, és ezek az összetevők valóban kiválthatják a genetikai szelekciót. Azt javasoljuk, hogy az etiópiai népesség körülbelül 10 000-20 000 évvel ezelőtt olyan mértékben terjeszkedett, hogy az élelmiszer fontos korlátozó tényezőt jelentett. Az éhezési időszakokban olyan szelekciós nyomás lépett fel, amely a növényi toxinokat nagyobb mértékben méregteleníteni képes egyedek túlélésének kedvezett, növelve a hasznos táplálékot biztosítani képes növények számát (3. ábra). Ez a több aktív CYP2D6 génkópiát hordozó és az inaktív CYP2D6 gének nélküli alpopulációk terjeszkedését hozta létre. Mivel a CYP2D6 gén duplikált és többszörösen duplikált változatai közül messze a CYP2D6*2 és a CYP2D6*41 a leggyakoribbak, mindkettő két aminosavcserét hoz létre a CYP2D6*1-hez képest, feltételezhető, hogy az enzim ezen formájának szubsztrátspecifikussága előnyös bizonyos növényi termékek metabolizmusa szempontjából. Az alanyok Északkelet-Afrikából a mediterrán térségbe történő későbbi vándorlásai eredményezték az UM-ek magas gyakoriságát Dél-Európában (vö. 2. táblázat).