功能基因组学及代谢组学中的研究

细胞色素P450酶家族是人体内重要的氧化代谢酶家族，主要参与药物及其他外源物质的代谢。据统计，进入人体内大约90%的药物将被该家族中的酶代谢。由于细胞色素P450酶对药物代谢的重要性，因此目前一些大的制药公司已经开始关注对于细胞色素P450酶的相关研究在新药开发过程中的作用。例如在新药研发过程中，候选药物是否可以正常被细胞色素P450酶代谢或者是否对细胞色素P450酶具有潜在的抑制或诱导作用，这些因素都被看作是决定候选药物能否成为药物的重要指标。此外，细胞色素P450酶也是人体内重要的多态性酶之一，发生在该酶的基因多态性可以导致不同个体对同一种药物代谢能力的差异，甚至有时会导致严重的临床后果。同时，细胞色素P450酶的基因多态性也被认为是实现个性化药物治疗的重要因素。基于细胞色素P450酶对药物代谢、药物研发和个性化药物治疗等方面都具有重要意义，本节将主要对细胞色素P450酶在生物信息学、功能基因组学及代谢组学三个不同方面取得的最新研究做一系统综述。

8.2.1 细胞色素P450酶在生物信息学中的研究

到目前为止，许多种属中的细胞色素P450酶基因序列已经测定，包括哺乳动物中的人和小鼠；昆虫中的蚊子、果蝇和线虫；海洋生物中的河豚和海鞘；植物中的拟南芥和水稻等。基于这些基因信息的比较将有助于对细胞色素P450酶的进化和相关功能进行研究。

在人类基因组中共有57个不同的细胞色素P450酶基因被测定，这个数目明显少于其他哺乳动物中检测到的细胞色素P450酶的基因数量，如在小鼠中共有102个细胞色素P450的基因被检测。通过将人类和小鼠基因组中细胞色素P450酶的功能基因及假基因序列进行比较，发现在小鼠的细胞色素P450酶家族中，7个主要亚家族酶的基因数目要多于对应人基因组中细胞色素P450酶基因数目，包括CYP2C、CYP2D和CYP3A这些主要参与药物代谢的亚家族。同时，在人和小鼠基因组中还鉴定出了36个同源细胞色素P450酶基因对。这些研究结果反映了小鼠的细胞色素P450酶基因和人的细胞色素P450酶基因之间的差异，表明药物代谢的动物试验模型并不能完全代替人体试验。

此外，由于细胞色素P450酶的基因多态性而导致不同个体之间药物代谢能力的差异，也给药物研发带来了巨大挑战。经过对CYP2D6和CYP2C19的基因表型和它们酶活性之间的关系以及针对两种细胞色素P450酶的弱代谢基因表型在种群中的分布频率进行分析后，Shimizu发现细胞色素P450酶基因多态性是导致种族和个体之间药物代谢差别的主要原因。由于细胞色素P450酶的1、2和3家族中的酶蛋白负责代谢临床大部分药物，因此这些细胞色素P450酶的基因多态性对于不同个体之间的药物代谢差别将具有重要作用。依据细胞色素P450酶的基因多态性以及它们相关的临床作用，Zhou提出为了能够改善和增强临床上所使用药物的药效和安全性，用药过程中应依据不同个体所具有的细胞色素P450酶基因型来考虑使用药物的剂量和浓度等。

由于细胞色素P450酶的基因多态性与不同个体之间的药物代谢差别密切相关，因此构建可以检测出细胞色素P450酶基因多态性的算法和计算工具就非常重要。目前基于DNA序列比对和蛋白质的结构信息，许多能够准确检测出非同义性SNP的方法已经发展出来。例如：SNPs3D、PUMT和topo SNP。为了能够预测细胞色素P450基因中多态性位点可能具有的后果，Wang利用两种工具SIFT和Poly Phen分析已有细胞色素P450酶中的基因多态性数据，从而预测多态性的后果，实验证实可以达到70%以上的准确率。

8.2.2 细胞色素P450酶在功能基因组学中的研究

功能基因组学中常用的一些技术方法已经成功应用到细胞色素P450酶的研究中。例如：利用基因芯片可以测定细胞色素P450酶的基因型；用微阵列技术可以进行细胞色素P450酶基因转录和表达分析；用色谱和质谱联用方法或串联质谱方法可以提取和鉴定参与药物代谢相关的细胞色素P450酶。然而，由于不同细胞色素P450酶之间的基因序列具有高度相似性，很难设计一种具有高特异性的基因探针检测细胞色素P450酶基因中的多态性位点。一种可行的方法就是利用高通量方法在上百种样品中同时检测、评价可能的多态性位点。目前在高通量检测方法中，微阵列技术已经成功应用到细胞色素P450酶的功能基因组学研究中。许多关于细胞色素P450酶非同义性多态性位点的数据都是来源于微阵列实验中。并且寡聚核苷酸微阵列方法已经用于对CYP2C9和CYP3A4的多态性扫描。

最近利用基因组关联研究方法（GWSA）对已经测序过的细胞色素P450酶1～3家族中单体的基因数据进行重新分析。分析的结果不仅可以提供不同细胞色素P450酶基因型与表型之间的关系，而且还可以作为鉴定细胞色素P450酶多态性位点的参考数据，从而对检测多态性位点的芯片检测范围进行合理评价。

此外，基于微阵列方法得到的实验结果还可以研究不同个体中的细胞色素P450基因型与药物代谢率之间的关系。这些研究的主要目的是为了检测遗传变异因素在药物代谢中所占的比重，并为未来个性化医疗提供重要数据。例如：利用一种新型的DNA芯片（Ampli Chip CYP450Test）能够检测不同个体基因组中的CYP2D6和CYP2C19的基因型，从而鉴定出在这两类细胞色素P450酶基因中与抗精神病药物代谢相关的等位基因。同时，基于这些等位基因对药物代谢的作用，一种能够预测不同个体CYP2D6和CYP2C19酶活性的数学模型也被提出。按照计算得到的酶活性水平，这两类细胞色素P450酶基因型大致可以分成四类：弱代谢者、中间代谢者、强代谢者和超强代谢者。尽管对于细胞色素P450酶多态性对于药物代谢的作用仍有大量的工作需要去做，但是目前的研究对于实现个性化药物治疗已经跨出了非常重要的一步。

8.2.3 细胞色素P450酶在代谢组学中的研究

由于细胞色素P450酶负责药物和其他外源性物质的代谢，因此相关的代谢组学方法主要应用到细胞色素P450酶参与的药物代谢研究中。例如：在代谢组学中使用最多的质谱与其他方法相结合的策略用于定量分析细胞色素P450酶的活性。此外，依据色谱质谱方法得到的多变量分析结果，Chen等提出了对于潜在致癌物质Ph IP在体内可能的代谢途径，并且证实CYP1A2对于该物质代谢的重要性。同时，该小组利用相同技术得到了13种代谢中间产物的结构信息，以此提出了具有化疗作用的氨基黄酮在体内可能的代谢途径。通过比较不同遗传背景小鼠体内的不同代谢中间物的类别，CYP1A亚家族被认为在氨基黄酮代谢过程中发挥着非常重要的作用。以上结果说明代谢组学中的技术方法为研究细胞色素P450酶在药物代谢中的作用提供了有用的分析工具。另一方面，通过获得的实验数据还可以构建相关的计算模型，模拟出给定化合物在体内的动态代谢过程。例如：Crooke等发展了包含体内雌激素氧化代谢的全过程以及被CYP1A1和CYP1B1代谢的中间产物的数学模型。利用已知反应参数该模型可以获得与实验测定相一致的代谢动力学结果。同时，利用CYP1A1和CYP1B1不同突变株的实验数据和单模标本及相关的代谢信息，该数学模型还可以鉴别出高风险人群。因此，利用相关的分析方法可以快速地评价细胞色素P450酶遗传多态性对于药物代谢的影响。

除了可以鉴定细胞色素P450酶参与的化合物代谢途径之外，应用代谢组学方法还可以对细胞色素P450酶代谢底物的特异性进行详细研究。例如：Tang等利用色谱 质谱和同位素标记联用方法鉴定出了在人肝细胞提取液中细胞色素P450酶的新型内源性底物。同时利用该方法，7个脂肪酸也被认为在体内可以被CYP1A2、CYP2C8和CYP2C9代谢。因此，代谢组学的方法也被认为是能够可以详细研究细胞色素P450酶功能的新方法。