CYP2D亚家族基因在脊椎动物中的研究进展*

冯 平

（1广西师范大学珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室 广西桂林 541006 2广西师范大学生命科学学院 广西桂林 541006）

0 细胞色素P450酶及CYP2D亚家族基因概述

细胞色素P450（CYP）酶催化外源物和内源物的氧化，例如催化药物、环境化合物、植物代谢物、脂肪酸和生物碱物质的氧化［1］。该酶是膜结合血红素蛋白，在原核细胞和真核细胞中广泛表达［2］。大量的底物需要各种各样的CYP蛋白起作用，同时种类丰富的底物也反映了生存环境和食性的物种特异性［1］。尽管CYPs在很多组织中被发现，在人和其他哺乳动物却主要集中于肝脏，在肝脏催化第一相代谢反应中许多内源性和外源性化合物的氧化［3］，将外源化合物，包括药物、化学致癌物和毒素通过各种氧化反应进行代谢以增加其水溶性，为第二相代谢反应中形成高度可溶的复合物以便排出体外做准备［4］。P450酶是药物代谢过程中的一类非常重要的酶，对这类酶的研究对评估药物-药物相互作用、临床个体化用药有很大的意义；P450酶技术在新药研发过程中运用于预知候选化合物在体内的代谢情况、产生的毒性等，为新药研发提供技术保障，同时也为有针对性地寻找更为安全有效的化合物提供指导，极大减少新药研发的费用［4-7］。

按照初级结构的相似性程度不同，CYP超家族可以分为家族（例如 CYP1、CYP2、CYP3等，其相似性大于40%）和亚家族（用字母例如A、B、C标记，其相似性大于55%），最后再加上阿拉伯数字则代表具体某一个酶［2，8］。CYP 家族 1、2、3 倾向于代谢药物和外源性物质，同时它们也参与大量内源性化合物例如维他命、胆汁酸和激素的代谢转化；其他家族的CYP酶一般参与内源性过程，特别是激素的生物合成［9］。

CYP2家族是脊椎动物CYPs中数量最多和变化最大的家族［10-11］。哺乳动物CYP2s负责各种结构多样的药物、类固醇和致癌物的代谢，在各种内源性和外源性化合物的代谢中起着关键的作用［1］。由于在人类药品氧化Ⅰ相中起重要的催化作用，CYP2研究主要集中在哺乳动物中的模式物种，而在其他脊椎动物中的研究基本是缺乏的［12］。而因为可以代谢很多临床上比较重要的药品（例如s-杀鼠灵和抗抑郁药），哺乳动物CYP2D基因吸引了大量的注意力［13］。

CYP2D在人类中由一个有功能的CYP2D6和2个旁系同源基因 CYP2D7和 CYP2D8组成［14］，后2个基因是没有功能的。在该家族成员中，对CYP2D6的研究相对成熟。CYP2D6酶含量在肝脏P450含量中所占比例虽然只有大约4%，但它参与代谢的药物量却占P450药物代谢总量的25%～30%［4-5］。CYP2D 在哺乳类、鸟类、两栖类及其他物种中都有发现。下文对CYP2D在这些动物类群中的研究及不同物种中发现的CYP2D的分布部位及其与人类该基因的同源关系进行综述。

1 哺乳类CYP2D基因的进化研究

Yasukochi 和 Satta［15］对人类和 4 个非人灵长类（黑猩猩、红毛猩猩、恒河猴和普通狨猴）CYP2D基因亚家族的进化和基因结构特点进行研究，发现黑猩猩和红毛猩猩中都有3个CYP2D基因（1个完整基因，2个假基因），而恒河猴和普通狨猴中有2个CYP2D基因（均为完整基因）。在进化关系上，黑猩猩、红猩猩、人和恒河猴四者亲缘关系较接近，而普通狨猴与上述4个物种的关系比较远，但是恒河猴与普通狨猴CYP2D基因的数目却相同，由此可见，CYP2D基因的数量与亲缘关系的关联性不大。进一步对这些基因进行聚类分析发现CYP2D7P是从CYP2D6复制而来，并且这种复制发生在人类和大猩猩发生分歧之前，而CYP2D6和CYP2D8P在新大陆猴和狭鼻猴的主干支系上即已存在，该研究揭示人类基因组中的CYP2D亚家族的起源可以追溯到羊膜动物和两栖动物发生分歧之前［15］。通过对包括人在内的6种灵长类（人、黑猩猩、苏门答腊猩猩、恒河猴、普通狨、倭黑猩猩）的CYP2D6亚家族基因进行分子进化研究，发现CYP2D6和CYP2D8基因的非底物识别位点由于基因转换而聚到一起，但是底物识别位点并没有聚到一起，意味着底物特异性的功能限制是底物识别位点受到纯化选择的原因［1］。

CYP2D6在人类药物代谢遗传多态性中研究得比较多。CYP2D6的多态性会导致不同个体对异哇胍的代谢率不同［16］。大约7%～10%的高加索人口种群遗传了CYP2D6等位基因的突变作为一个常染色体隐性性状［16］，导致在应对由CYP2D清除的药物时会有不同的个体变化。按照基因突变对CYP2D6酶活性的影响及野生型等位基因拷贝数的多少，可以将CYP2D6酶的代谢表型划分为弱代谢型（0拷贝）、中间代谢型（1个拷贝）、泛代谢型（2个拷贝）和超代谢型（多重拷贝），这些遗传变异还与疾病和癌症 （例如帕金森综合征、肺癌、肝癌和黑素瘤）的高风险相关［9］。

2 鸟类CYP2D基因的进化研究

CYP2D49基因是鸡中第1个被报道的CYP2D亚家族成员，由 Cai H 等［17］首次从原鸡的肝脏中克隆获得，CYP2D49的基因结构及其相邻基因都是保守的，并且与人类CYP2D6相似，该基因主要在肝脏、肾脏和小肠中表达。Watanabe KP等［18］分析了原鸡、火鸡和斑胸草雀包括CYP2D在内的CYP2家族，认为鸟类多种类型的取食生境、特定的适应性和世界范围内的分布，以及广泛暴露于种类繁多的化合物（环境化合物），很可能导致它们形成了一系列新型外源物的代谢机制。此外，通过对包括古颌总目、鸡雁小纲和新鸟下纲在内的36个目的48个物种CYP2家族基因的进化模式进行研究，Almeida D等［19］发现在鸟类中只有一个CYP2D基因，在37个鸟类物种中发现了36个基因和1个假基因，CYP2D亚家族在古颌总目支系中可能已经丢失。在一些哺乳类（例如啮齿类、灵长类、兔子和马）中的CYP2D与取食生境和代谢毒素例如生物碱［15］有关，鸟类CYP2D亚家族的正选择位点可能对高效解毒有特别的优势，该研究同时也发现，鸟类CYP2D基因的一些正选择位点位于先前认为的与代谢植物毒素相关联的底物识别位点区域，并揭示一些鸟类中CYP2D基因的选择限制性变化与不同的取食生境和迁徙行为相关［19］。

3 CYP2D基因在两栖类和其他动物中的进化研究

CYP2D基因在其他动物中的研究比较少，Yasukochi和 Satta［15］对公共数据库中已有基因组数据的脊椎动物，包括8个真兽亚纲、1个有袋类、1个单孔类、1个爬行类和2个两栖类的CYP2D基因进行调查研究发现，有的动物（例如蜥蜴、鸡、狗和猪）中仅有1个CYP2D基因，两栖动物拥有多个CYP2D基因；啮齿类有着5～9个CYP2D基因，兔子有 5 个，而马有 6 个［4，15］，推测植食性动物CYP2D基因亚家族的扩张可能与CYP2D6酶对植物毒素例如生物碱有着很高的亲和性有关［20］。

4 表达部位、与人类CYP2D基因的同源性

在基因同源性方面，不同猴类与人类的CYP2D基因同源性存在差异。食蟹猴中全长由497个氨基酸组成的CYP2D17与人类CYP2D6有93%的相似性［21］；恒河猴中，发现了 CYP2D42，并且该酶可能是人类CYP2D6的直系同源物；普通狨猴中发现了2个亚型CYP2D30和CYP2D19，这2种亚型有着高度的同源性也有着不同的催化活性，CYP2D30与人类CYP2D6相似，表现出高的异哇胍4-羟化酶活性和相对低的异哇胍5-、6-、7-和8-羟化酶活性，而CYP2D19表现出相反的催化活性；在日本猴（Macaca fuscata）中，一个全长为 497个氨基酸组成的蛋白（指定为CYP2D29）与人类CYP2D6、食蟹猴CYP2D17和普通狨猴CYP2D19分别具有96%、91%和88%的同源性；与人类CYP2D6功能类似，日本猴CYP2D29催化异哇胍和丁呋洛尔的代谢［9］。

在小鼠的9个CYP2D基因中（CYP2D9,-2D10，-2D11，-2D12，-2D13，-2D22，-2D26，-2D34 和-2D40）［10］，CYP2D22 被认为是人类 CYP2D6 的直系同源基因［22］，在肝脏大量表达，而在肾上腺、卵巢和乳腺中表达水平处于中间水平。在大鼠中，基因组分析鉴别出 6个亚型（CYP2D1、-2D2、-2D3、-2D4、-2D5和-2D18），这6个亚型在各种组织中表达例如在肝脏、肾脏和大脑中表达，6个亚型中CYP2D1与人类的CYP2D6直系同源；CYP2D5和CYP2D18分别与CYP2D1和CYP2D4的氨基酸序列有着 95%的相似性［9］。CYP2D15是狗的主要CYP2D，酶活性与人类CYP2D6相似，主要在肝脏中表达［23］，还在其他若干组织中低水平表达［9］。

5 总结与展望

CYP2D亚家族基因在人类中的研究相对成熟，而在其他动物中研究比较少，随着科学研究的不断向前发展和研究手段的不断创新，相信会有越来越多的关于脊椎动物CYP2D亚家族基因的研究报道，进一步揭示CYP2D亚基因家族成员的结构、功能及其在不同动物之间的进化关系。