脑内表达的CYP450基因参与内源性物质代谢研究进展

杨辛兰，吕 丹，张连峰

(中国医学科学院医学实验动物研究所，北京协和医学院比较医学中心，卫计委人类疾病比较医学重点实验室，北京 100021)

细胞色素P450(cytochrome P450，CYP450)为一类亚铁血红素蛋白超家族，由进化上保守的基因编码，广泛分布于植物、动物、真菌和部分细菌内，甚至病毒中，目前已经确定的CYP450蛋白已接近20万种[1-2]。目前在小鼠中已经发现103个CYPs，大鼠中已经发现89个CYPs[3]。人类CYP450基因包括18个家系，43个亚系，共57个基因和59个假基因。在小鼠、大鼠、兔和犬等常用哺乳类实验动物中，CYP450基因与人类更接近，但存在部分基因差异和表达谱差异，如CYP2D亚家族在大鼠中有6个同型(CYP2D1-5和CYP2D18)，但在人类中只有CYP2D6一种有代表性的异形体[4]，这也正是动物与人类对部分药物毒性反应不一致的原因之一。大部分CYP450蛋白具有单加氧酶活性，参与多种内源性物质和外源性物质(食物成分、药物及污染物等)的代谢与活化。因为CYP450是药物代谢的关键酶，与药物有效性及毒性等关系密切，所以以往的研究主要集中在药物代谢方面。

近几年的研究发现，CYP450的作用不仅仅局限于药物代谢，其还参与多种疾病的发生及发展过程，CYP450基因介导的机体内源物质代谢涉及阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)、帕金森氏病(Parkinson’s disease，PD)、雷夫叙姆病(Refsum disease，RD)、白质营养不良(X-linked adrenoleukodystrophy，X-ALD)等疾病[5-7]。因此，CYP450家族成员对机体内源物质的代谢及其病理生理功能，已逐渐引起学者的广泛关注。所以本文特总结了脑内表达的CYP450基因及其参与酮体、脂肪酸，固醇类激素及其他内源性物质代谢的研究进展。

1 脑内表达的CYP450基因

在哺乳动物细胞中，CYP450成员主要分布在微粒体、内质网和线粒体内膜上，其中CYP2E1在微粒体、内质网和线粒体内膜上都有分布。CYP450可分为微粒体CYP450系统和线粒体CYP450系统。其中，微粒体CYP450需要一类P450还原酶的协助来完成电子传递过程，而线粒体CYP450系统需要一类皮质铁氧蛋白协助来完成电子传递过程，二者都需要氧气和NADPH，总反应式如下：

RH+O2+NADPH+H+→ROH+H2O+NADP+

CYP450基因在多种组织中表达，且同一个基因在不同物种中的组织分布有一定的差异性。根据人类、小鼠、大鼠和犬的相关研究数据，CYP1A、CYP1B、CYP2B、CYP2C、CYP2D、CYP2E1、CYP2J、CYP2U、CYP3A及CYP4A等基因在脑组织中表达[8-10]。部分基因在脑中广泛表达，且不同区域表达水平不同。而另一部分基因具有区域表达特异性，例如CYP2B在皮层的星型胶质细胞高表达，CYP2D在锥体神经元表达，CYP2D6主要在颗粒层表达等。

除了参与抗抑郁类，抗精神病类及止痛类等相关药物的代谢过程，以及参与外源物代谢而产生神经毒性作用外，脑内表达的CYP450基因还参与酮体、脂肪酸、固醇类激素及神经递质等内源物质的代谢过程。

2 脑内CYP450基因与酮体代谢

丙酮是酮体的主要成分，体外研究证实，脑组织内CYP2E1和CYP3A可以将丙酮转化为丙酮醇，进而转化为丙酮醛[11]。反应式如下：

丙酮醇和丙酮醛都可进入到糖异生途径，研究表明将小鼠的CYP2E1基因敲除，会造成丙酮代谢障碍，并引起血液中丙酮的积累[12]。

在生理状态下，脑内主要能量来源是葡萄糖。但在病理状态下，例如阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)发病早期，脑内普遍存在葡萄糖代谢率减退现象，而此时酮体成为AD脑组织的替代能源[6]。所以，酮体代谢与AD脑组织的神经元能量供应关系极为密切。此外，研究表明，酮体具有抗惊厥作用，生酮饮食是目前控制难治性癫痫的一种重要方法[13-14]。酮体代谢并不仅仅是能量代谢的基础，因为酮体在许多组织中也可以作为脂质和甾醇生物合成的基质，包括发育中的大脑、哺乳期的乳腺和肝脏[15]。

3 脑内CYP450基因与脂肪酸代谢

脂肪酸在C-端的ω-羟化(ω-hydroxylation)是CYP450催化的一类氧化反应，形成单羟或二羟脂肪酸，随后进入β-氧化途径产生乙酰辅酶A，乙酰辅酶A进入三羧酸循环产生ATP。所以脂肪酸在ω-羟化是脂肪酸代谢的关键环节，同时可防止一些脂肪酸毒性[16]。在人类、小鼠、大鼠、兔和犬等常用哺乳类实验动物中，CYP450催化的ω-羟化反应涉及月桂酸、花生四烯酸、十八炔酸等几乎所有脂肪酸[17]。

脑组织内的CYP2E1、CYP2J、CYP2U、CYP3A及CYP4A参与脂肪酸的ω-羟化反应和环氧化反应。以花生四烯酸和花生四烯酸衍生物为例，CYP2J2是主要的花生四烯酸表氧化酶[18]，可以催化花生四烯酸的5～6位、8～9位、11～12位和14～15位碳原子氧化，形成不同位置的环氧二十碳三烯酸(EETs)。CYP2E1、CYP2U、CYP3A和CYP4A都有脂肪酸C-端ω-羟化活性，可以催化花生四烯酸、环氧二十碳三烯酸、5-羟花生四烯酸、白三烯及脂氧素等花生四烯酸衍生物的20位碳原子的羟化[19-20]。

脂肪酸的羟化除了促进脂肪酸代谢产生能量之外，还参与脂类生物活性物质的合成与代谢，例如，维生素A、E、K，大麻素，花生四烯酸，环氧二十碳三烯酸及白三烯等物质的代谢，调节血管离子转运、睡眠、神经炎症等病理生理过程。其中CYP3A和CYP4A对花生四烯酸为原料的生物活性物质的合成尤为关键。

4 脑内CYP450基因与固醇类激素代谢

CYP450主要通过胆固醇的侧链断裂酶活性将胆固醇转化为孕烯醇酮，再通过11、18及21位碳原子羟化和18位甲基氧化等步骤参与固醇类激素的合成，包括26种雄激素、雌激素、孕酮及肾上腺皮质激素等。在肾上腺和性腺中表达的CYP11A1、CYP11B1、CYP11B2、CYP17A1、CYP21A1及CYP19 A等是参与固醇类激素合成的主要CYP450成员[21-23]。

脑组织中表达的CYP1A、CYP1B、CYP2B、CYP2C和CYP2D也具有固醇类激素的羟化酶活性[24-25]。其中CYP2C和CYP2D在脑中对固醇类激素代谢的作用研究较多[26-27]。CYP1A、CYP1B及CYP2B等在脑组织中对固醇类激素代谢的研究相对较少[23]，今后需要更精细的生化研究，以阐明CYP1A、CYP1B及CYP2B对固醇类激素代谢的具体作用环节和生理作用。

5 CYP450基因与其他内源性物质代谢

多巴胺是哺乳动物大脑中主要的儿茶酚胺类神经递质，合成多巴胺的脑区及其纤维投射组成四条通路：①黑质纹状体束；②中脑边缘系统束；③中脑皮质束；④结节漏斗束。多巴胺对运动控制起重要作用，帕金森病(Parkinson’s disease，PD)是由于多巴胺能神经元变性引起严重的多巴胺减少所致。在经典途径中，多巴胺是由苯丙氨酸合成的，它通过苯丙氨酸羟化酶转化成酪氨酸，然后被酪氨酸羟化酶转化为二羟基苯丙氨酸(L-DOPA)；后者被芳香氨基酸脱羧酶转化为多巴胺[28]。然而，除这条途径外，CYP2D与内源性化合物的代谢有关，如花生四烯酸乙醇胺和神经递质[29-31]，可以将酪胺转化为多巴胺，被报道为帕金森氏病[7]和精神疾病的危险因素[32]。大脑中CYP2D活动最活跃的时刻是PD患者的黑质纹状体路径开始时达到的[33]。另外研究表明，CYP2E1可以调节多巴胺释放和自由基生成[34]。

脑血清素与精神疾病(如抑郁症、焦虑及精神分裂症)的病理生理学以及精神类药物(如抗抑郁药物、抗焦虑药物及抗精神病药物)的作用机制有关[35]。研究表明，血清素可能由5-甲氧色胺在大鼠脑微粒体O-去甲基化产生，CYP2D亚型(2D1/2/4/D18)能催化该反应，使褪黑激素-血清素的循环关闭。因此，大脑CYP2D可能会积极地影响吲哚胺和褪黑素的正常水平，两者都具有抗抑郁性[36]。目前认为，酒精或尼古丁可以诱导脑内CYP2D6[37-38]，CYP2D6多态可能影响人的性格特征[39]，Miller等研究了慢性乙醇自我管理和尼古丁治疗对非洲绿猴CYP2D表达的独立和综合作用[40]，发现在猴子体内，乙醇和尼古丁会增加大脑CYP2D蛋白水平，提示神经退行性疾病和人格可能会受到饮酒和尼古丁的影响，表明CYP2D在大脑内源性神经活动基质的新陈代谢方面的重要性。

综上，神经退行性变是对人类威胁最大的中枢神经系统疾病，PD和AD是其中最主要的两种。PD是黑质多巴胺分泌神经元丢失引起运动障碍的一类疾病，而CYP2D6基因异常是PD的危险因素，CYP2D6可能是PD的保护因子[41-42]。AD是一种常见的中枢神经系统退行性疾病，临床表现为进行性记忆减退和认知障碍，主要神经病理表现为大脑皮质萎缩，神经细胞丧失，细胞外存在大量由淀粉样蛋白组成的老年斑(senile plaques，SP)以及神经细胞内神经纤维丝缠结。目前，更多的学者倾向认为AD是代谢性疾病，其中CYP19、CYP46、CYP2J、CYP17及CYP2D等基因多态性与AD易感性有关[43-47]。

总之，CYP450基因对脑组织内源物质代谢的作用体现在外源药物、毒性物质代谢、能量代谢及生物活性物质代谢等多个层面上[8,15,18,24,26,34,39,48-49]。然而，关于CYP450在脑组织中对内源物质代谢的作用，目前我们的了解还很肤浅，尤其是在酮体代谢和脂肪酸氧化对能量供应的影响方面，更需要建立全面的基因工程修饰动物模型工具，同时结合生物化学和病理学分析手段，深入研究CYP450在脑组织中的作用机制。这些研究皆有助于我们对于AD及PD等退行性神经系统疾病的了解和治疗。

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