尿苷二磷酸葡萄糖醛酸基转移酶基因多态性的研究进展
尿苷二磷酸葡萄糖醛酸基转移酶
基因多态性的研究进展
郭栋庞良芳周宏灏
(中南大学湘雅医学院临床药理研究所,长沙410078)
摘要尿苷二磷酸葡萄糖醛酸基转移酶(UDP—glucuronosyltransferase,UGT)是生物体内进行第Ⅱ相生物转化时最重要的一种酶。UGT广泛分布于人体的肝、肾和肠等不同组织,代谢大量的外源性毒性物质和内源性物质。研究发现,UGTlA基因多态性是个体间葡萄糖醛酸化活性差异的重要原因之一。本文就UGTlA基因多态性的研究现状予以综述。
关键词尿苷二磷酸葡萄糖醛酸基转移酶;尿苷二磷酸葡萄糖醛酸;基因多态性中图分类号R96
ProgressintheStudyofUDP-glucuronosyltransferaseGenePolymorphismang—Fang,ZHOU
GUODong,PANGLi—
Hong-Hao(InstituteofClinical
Pharmacology,Xiang—YaMedicalCollege,CentralSouth
University,Changsha410078,China)Abstract
Uridinediphosphoglueuronate-glucuronosyhransferase(UGT)is
largenumberofexogenous
one
themostimportantenzymeof
thebodyinphaseIImetabolism.UGTiswidelydistributedinmultipletissues,includingliver,kidneyandintestine,whichmetabolizes
a
toxicsubstancesandendogenoussub—oftheimportant
reasons
stances.StudiesfoundthatUGTlAgeneticpolymorphismis
forthevariabili—
tyofglucuronicacidmetabolismbetweenindividuals.Thispaperreviewsthecurrentconceptandnewad—
vanceson
UGTgenemutation.
uridinediphosphoglucuronate—glueuronosyhransferase;UDPGA;genepolymorphism
Keywords
尿苷二磷酸葡萄糖醛酸基转移酶(UDP—glucu—ronosyhransferase,UGT)存在于大部分脊椎动物的肝微粒体中,是生物体内进行第1I相生物转化时最重要的酶之一,属于糖基转移酶超家族。UGT的底物广泛,包括内源性物质(胆红素、类固醇类物质等)和外源性物质(酚类、非甾体类抗炎药物及麦酚酸酯等)。目前在不同的物种中已发现35种以上葡萄糖醛酸基转移酶,人类中迄今发现了至少19种。人类的葡萄糖醛酸基转移酶超家族根据核苷酸序列的相似性分为四类:UGTl、UGT2、UGT3和UGT8。其中最重要的是UGTl和UGT2家族u
J。
一、UGT的分布和功能
UGT广泛分布于机体的各种组织,如肝、肾、脑、皮肤、肠、脾、胸腺、心脏等,其中以肝脏中该酶的活性最高。UGT的活性依赖于大量同工酶的存在,
它以尿苷二磷酸葡萄糖醛酸(UGA)为糖基供体与
底物进行结合反应,使其水溶性增加,从而易于随尿或胆汁排出体外[2】。这也是机体的一个解毒的过程。它能导致代谢物失活,修饰毒物的药理活性。越来越多的证据表明,葡萄糖醛酸化也可导致底物
生物活性的增加。如吗啡的代谢物吗啡一6旬一葡萄糖
醛酸基活性是母药的50倍,而有羧酸基团的药物
近年来随着分子克隆技术的发展促进了UGTlA基
(如双氯芬酸、托美丁、阿司匹林和麦考酚酸等)的
葡萄糖醛酸化也可产生有毒性的酰基产物,并通过
因多态性与功能改变的研究,人们逐步认识到
UGTl
A基因多态性是个体间葡萄糖醛酸化活性
与细胞大分子产生加合产物而产生毒性。此外,UGT参与类同醇和甲状腺激素的代谢过程,也能参
与大脑中糖脂的生物合成以及芳香类物质的消除。由于UGT能对许多药物进行代谢,近年来被广泛应
差异的重要原因之一。本文从UGTlA的功能、
基因结构和基因多态性有关的研究进展作一简要
综述。
万方数据
用于抗肿瘤药物的代谢研究中。
二、UGTlA基因定位与结构
人类UGTlA家族的成员由位于2q37的一个跨度大于500kb的复杂基因簇所编码。UGTlA基因
簇,共包含17个外显子(图1),共用2—5外显子,
编码UGTlA蛋白共同c末端,是尿苷二磷酸葡萄糖醛酸(UDPGA)结合域,共有246个氨基酸残端,组成了UGTlA的保守序列;其余13个外显子,均为第1外显子,序列有37%~90%的同源性,编码UGTlA蛋白特异的N端,有285个氨基酸残基,是UGTlA的底物识别区。13个第1外显子共编码9种功能性UGTlA蛋白(UGTlAl、UGTlA3、
UGTlA4、UGTlA5、UGTlA6、UGTlA7、UGTlA8、
UGTlA9、UGTlAIO)和4个假基因(UGTlAl2P、UGTlAllP、UGTlAl3P、UGTlA2P)。小鼠、大鼠和兔的UGTl基因结构相似,目前有限的种属间的数据均表明UGTlA功能在种属问有很高的相似性。然而,每个外显子都有自己的启动区并且编码一种
特定的UGT同工酶,每个UGT同工酶的mRNA由
一个特定的外显子与其它4个共同外显子融合而成。因此,特定的外显子或启动区的基因突变会影响某个同工酶的活性。
图1UGTlA家族的基因结构图
三、UGTlA基因多态性的功能意义(一)UGTlAl
UGTlAI主要分布于肝脏,是研
究最深入的UGTlA蛋白之一。UGTlAl的特异性底物为胆红素,是人体内唯一催化胆红素结合反应的酶。此外UGTlAl还能代谢雌二醇、2-经雌酮、2-经雌二醇、4一硝基酚、a.奈胺和类黄酮等底物。人类UGTlAl基因突变可导致蛋白部分活性缺失(导致Crigler—NajjarII型和Gilbert§综合征)或蛋白功能全部缺失(如Crigler—NajjarI型高胆红素血症)口。(表
1)。迄今已命名的UGTlAl突变已有113种(寮1・
母ll
3),调控区、各个外显子、31J,IR均有突变
报道。
Kraemer等(2002)在Gilbert’s综合征患者中发
现了两个突变:G71R和TATA盒的突变A(TA)
R的突变使UGTlA1的葡萄糖醛酸化的
万方数据
生堡抖堂遘屋!Q!Q生筮!!鲞筮!翅
能力下降70%,其突变频率在东亚人群中(日本、韩国和中国)为16%~26%,而在白种人和非洲人中没有发现这一突变。G71R(UGTlAl水6)的突变纯合子个体易患Gilbert’s综合征。研究发现UGTlA1木28与UGTlAl水6是亚洲人中Gilbert’s综合征的主要原因。UGTlAl,lc28是启动子区TATA盒的插人性突变,即TAA(TA)7TAA,重复序列越多则使UGTlAl蛋白表达水平越低,并使UGTlAl的转录活性降低H]。不同种族这一突变的频率不同,白种人的等位基因频率为36%一40%,非洲人为48%,日本人为15%。UGTlAl木28是白种人中最常见的突变,是白种人Gilbert7s综合征的主要原因。
表1
UGT!A1基因多态性对胆红素的影响
依立替康是拓扑异构酶抑制剂,是转移性结肠癌的一线化疗药物。依立替康的母药无活性,主要
由羧酸酯酶代谢生成活性代谢产物SN一38,而SN-38
主要由UGTlAl、UGTlA7和UGTlA9代谢为无活性的葡萄糖醛酸化sN-38(SN-38G)。Paoluzzi等(2004)发现SN-38G与SN-38的AUC之比在UGTlAl木28的突变型比野生型要低,野生型SN一38G与SN一38的AUC之比是7,杂合子是6.26,
突变纯合子是2.5l。在突变纯合子中游离型的
SN.38持续增加,从而更容易产生毒副作用。UGTlAl木28的杂合子和野生型对SN一38的葡萄
糖醛酸化活性相似,UGTlAl木28的突变纯合子对
SN-38的葡萄糖醛酸化活性仅是杂合子和野生型的A1木28突变纯合个体的血浆SN-38浓度升高,SN-38G浓度降低,患者更易发生3至4度腹泻及血液系统毒性∞J。
(二)UGTlA3
UGTlA3主要表达于肝脏,在胆
35%。研究结果均表明UGTl7TAA,G71
道和胃肠道也有表达。UGTlA3代谢许多内源性物质,如类固醇激素和胆酸等,以及外源性物质如黄酮类化合物、吗啡等,还有毒物苯并芘和乙酰氨基芴等。文献报道在UGTlA3启动子区和第l外显子共发现17个突变,其中7个位于启动子,其余均位于
第1外显子,含同义突变2个,但目前仍未统一命
名。对其功能意义的研究,因缺少体内特异性底物,对UGTlA3的研究主要局限于体外。uGTlA3基因突变的功能意义因所用底物不同而不同,如Ber-trand等(2007)用雌激素做为底物,突变体W11R(UGTIA3半3)内在清除率比野生型高旧J,而Chen
等(2006)用槲皮素做为底物,W11R突变体的代谢
率是野生型的ll%。
(三)UGTIA4
UGTlA4表达于肝、胆管、结肠、
小肠和胰腺等。UGTlA4代谢内源性物质如胺类、雄激素和黄体酮等,以及外源性物质如丙米嗪、三氟拉嗪、氯氮平、他莫西芬和皂苷元等071。UGTlA4的启动子区、第1外显子和第1内含子区已报道有20种突变,其中对142T>G(L48V)研究较多。70C>A(P24T)和142T>G(L48V)在德国人中紧密连锁。Ehmer(2004)等报道,70C>A(P24T)和142T>G
(IA8V)在体外代谢B-萘酚、联苯胺、顺式雄酮、双
氢睾酮的活性降低,但降低程度有底物特异性;Asa—mi等(2005)在13本人群中未发现70C>A(P24T),但发现142T>G(IA8V)仍存在,L48V突变在体外对氯氮平、丙咪嗪、赛庚啶的代谢能力增强,但对剑麻皂素的代谢能力降低¨J。Sun等(2006)报道,
UGTlA4
142T>G(L48V)突变在体外对他莫昔芬
的代谢能力增强。
(四)UGTlA5
UGTlA5基因虽早已被克隆命
名,但一直未在各种组织上发现UGTlA5蛋白表达。直到2005年Moshe等在人肝中发现了微量UGTlA5的表达。用体外表达的UGTlA5对其进行底物研究,发现其底物较少,仅发现对SN-38有较低的代谢率旧]。因此,虽然UGTlA5基因已有5种有义突变被发现,但对其功能意义的体内外研究尚未见报道。
(五)UGTIA6
UGTlA6蛋白全长531个氨基
酸,以二聚体或四聚体形式发挥催化活性,可被3一甲基胆蒽诱导。UGTlA6主要分布于肝、胆囊、结肠、胃、脑等部位,Martinasevie等(1999)用UGTl
A6
的多克隆抗体发现,是神经元而不是星形胶质细胞、神经胶质和其他大鼠脑组织能表达UGTIA6蛋白。
万方数据
King等用RT—PCR方法发现,UGTlA6还表达于人类的小脑,且是能有效代谢神经递质5一羟色胺的UGT酶。UGTIA6催化代谢的底物有药物如对乙酰氨基酚、丙咪嗪、阿斯匹林等,体内活性物质如5一羟色胺,毒物如Ot-萘酚、苯并芘、4.硝基酚等。目前,5.羟色胺的葡萄糖醛酸化是反映UGTlA6活性的最好
指标,但因体内此代谢途径占5。羟色胺代谢约5%,
故尚不能做为体内探药。目前较好的体内底物是对乙酰氨基酚。
UGTlA6启动子区、第1外显子、第l内含子区
共发现21个突变。其中启动子区8个(1个缺失突
变,7个点突变),第l外显子9个(4个同义突变),第1内含子4个。最常见突变是T19G(S7A)、
A541G(T18lA)、A552C(R184S),三个突变存在紧密却非完全连锁。Nagar等(2004)将T19G,A541G,A552C称为UGTl
A6
3Ic
2,Krishnaswamy等则称其为
UGTlA6宰2a¨…。白种人UGTlA6木2的频率为
30%。在人肝微粒体和细胞实验中发现,UGTlA6
木2的突变纯合子酶的表达增加,而UGTI
A6木2
的杂合子酶的表达减少。体内实验以对乙酰氨基酚
为底物,Tankaniflert等在B地中海贫血病人中发现
UGTl
A6拳2个体对乙酰氨基酚血浆浓度降低,葡萄
糖醛酸化代谢产物升高,提示UGTlA6母2体内功能意义也升高¨1|。实验证实UGTIA6的基因型与表
型明显相关。
(六)UGTlA7在人体主要分布在肺和食管黏膜,而从胃到结肠则很低水平表达或者未被检测出。UGTlA7主要代谢酚、苯并芘和香豆素等,但对类固醇的代谢率非常低,因而不能被检测出。UGTlA7
基因已有12个点突变的报道,第l外显子10个(1个同义突变),启动子区2个。其中以UGTlA7水3
(387T
>
G391C>A392G>A622T>
C,
N129KRl3lKW208R)研究最多,用3,6,9一羟基苯
并芘为底物,UGTlA7,lc3体外代谢能力为野生型的17%,但体内以麦考酚酸为底物,UGTlA7串3携带
者与野生型者间麦考酚酸及其代谢产物血浆浓度没
有区别。原因可能是麦考酚酸并不是UGTlA7的特
异性底物。因UGTlA7代谢一些致癌物,所以许多
报道UGTlA7木3与各种肿瘤易感性有关,如肝癌、
肺癌、胰腺癌等【12]。Vogel等(2001)在50例肝细胞
癌的白种人患者和70名对照者中发现UGTl
A7木3
在肝细胞癌患者中频率为74.5%,而对照组中仅为10%,这提示UGTlA7串3与肝细胞癌相关。
Lankisch等研究发现,UGTlA7N129K/R131K突变与Gilbert’s综合征及依立体康的副作用相关¨引。
(七)UGTIA8
UGTlA8主要表达于胃肠道。
UGTIA8催化阿片类、雌激素、蒽醌、黄酮类、麦考酚酸、异丙酚等酚类的代谢。UGTlA8与UGTlA9在原始氨基酸序列有80%同源性,与UGTIAIO有90%同源性。UGTlA8基因目前已有3个点突变(卑lb、宰2、木3)的报道,均位于第l外显子,其中有1个为同义突变(术lb),其等位基因的频率分别是55.1%、14.5%和2.2%。Huang等(2002)经体外研究用没食子酸辛酯和11一羟苯并芘为底物,发现UGTlA8木lb(765A>G)、UGTlA8水2(518C>G)功能与UGTlA8,Icla无差别,但UGTlA8:I:3(830G>A)不影响蛋白表达量,可能通过改变蛋白
结构使代谢能力明显降低。Bernard等(2006)对
254名高加索人和41名非裔美国人研究发现,8种非同义的氨基酸置换:¥43L、H53N、S126G、A144V、A173G、A231T、T240A、C277Y,且共13种单倍体被
推断。在人胚胎肾293细胞(HEK293cells)稳定表
达的UGTlA8,lc3(C277Y)、水5(G173A240)、卑7(A231rr)、木8(S43L)、木9(N53G)蛋白,与麦考酚
酸的代谢有关,能明显减少MPAG和AcMPAG的形
成。而这些低活性的UGTlA8酶在人群中的携带率为2.8%~4.8%。因此认为UGTlA8变异体可能的潜在性说明了MPA药代动力学个体间显著差异。但Bernard等通过体内研究却发现UGTlA8木3并不影响个体间的lVlPA血浆浓度的差异¨引。
(八)UGTlA9
UGTlA9,也称为bulky
phenol
tJc'r(HP4),表达于肝脏,催化毒物如酚类、N一羟芳香胺、N一羟萘胺、蒽醌和内源性物质如雌激素、类固醇,以及一些药物如地西泮、香豆素、麦考酚酸等的
代谢。麦考酚酸被认为是UGTlA9的特异性底物。
霉酚酸酯是一种高效、新型的免疫抑制剂,其活性代
谢产物是麦考酚酸。麦考酚酸在肝中主要由
UGTl
A9和UGTlA8代谢生成麦考酚酸7一氧化葡萄糖醛苷(MPAG)而失活¨“。
UGTlA9基因迄今共发现21种突变。其中启
动子11个,第l外显子4个,第1内含子6个。
UGTlA9第l外显子的4个突变均为罕见突变,对功能的研究主要集中在启动子和第1内含子区的突
变。目前研究较多的是一118T(9>10)、1399C>T、一275T>A和-2152C>T。Hugo等(2004)对UGTIA9
的启动子区进行测序发现C-2152T和-275位的突
万方数据
变,并且-2152位与.275的突变是连锁突变。.2152/-275的个体UGTlA9蛋白表达水平和其葡萄糖醛酸化的活性比野生型高。这两个位点的突变频率在白种人中分别为3%和4%,而在亚洲人群中并没有发现。Yamanaka等(2004)对UGTlA9所有的外显子、外显子和内含子的结合区进行测序发现,在
UGTl
A9的启动子区.109到一l18位有一插人突变A
(T)IOAT,命名为UGTlA9枣22。荧光酶报告基因显示:UGTlA9术22的转录活性比野生型增加了2.6倍[16]。UGTlA9半22的等位基因频率在Et本
人、白种人和在美国的非洲人分别为60%、39%和
44%。但也有报道UGTIA9术22并不能改变UGTlA9蛋白表达量。Carlini等研究发现,一118dT(9/9)(UGTlA9=l:22)个体用依立替康和顺铂化疗的毒性低,且化疗效果更好mj。位于第一内含子突变体1399C>T的体外研究发现可提高UGTlA9蛋
白表达,并能提高对依立替康的代谢Ll8I。体内研究
发现,1399C>T突变携带者SN.38的暴露浓度约为
野生型的2倍,但却不影响麦考酚酸代谢。虽然对
UGTlA9突变的研究较多,但目前的所有突变均不能很好地解释UGTlA9蛋白表达及活性的个体差异。
(九)UGTlAIO
UGTl
AIO首先从人类结肠克
隆,也表达在胃、胆组织。UGTlAIO可代谢某些抗肿瘤药和免疫抑制药如麦考酚酸,以及一些酚类和类固醇类物质等。文献报道UGTlAIO基因已有12种点突变。Saeki等在24例日本癌症病人中发现了UGTlAIO三个单核苷酸多态性:A177G(M59I)、
T605
C(T202I)和T693C(无氨基酸改变)¨…。Jin—
nO等(2003)发现,M59I和T202I在日本人中的突变频率很低,大约0.01%。M59I的UGTlAIO酶的
活性与野生型相似,而T202I对雌激素的代谢能力
是野生型的一半。因此,T202I的突变可能会对某
些药物和致癌物的代谢产生影响。Martineau等报
道UGTlAIO
121
1T突变导致酶活性遗失,并使其丧
失对麦考酚酸的代谢能力120]。Elahi等(2003)在白
种人和黑人中发现了6个新的UGTIAIO的突变,3个突变导致了氨基酸的改变,分别是E139K、T240M和L2441,其他三个是沉默突变:密码子42、199和231。但是在亚洲人群中没有发现这些突变。
四、结语
UGTs作为一类生物体内第二相生物转化的重要酶之一,在人体内大多数物质代谢中发挥重要作
用。考虑到UGTlA基因多态性对药物代谢和药物疗效的个体差异具有重要影响,因此研究和了解UGTlA基因的遗传多态性对减轻药物的毒副作用、个体化用药和预测肿瘤的高危因素具有重要的临床意义。但是,UGT基因结构复杂,且与功能改变之间关系的机制研究目前还不很清楚,还需进一步深入研究,从而促进基因导向性个体化用药的开展。
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