Die Expression und Regulation der CYP3A in menschlicher Haut

In Leber und Dünndarm bauen CYP3A-Enzyme eine Vielzahl von Fremdstoffen ab, die in den Körper gelangt sind. Zudem aber sind diese Enzyme auch in anderen Organen, wie der Haut exprimiert. Doch weder die genaue Zusammensetzung der CYP3A-Isozyme noch deren physiologische Rolle in der Haut sind bisher bekannt. Basierend auf begrenzten in vitro-Daten ist eine Rolle der CYP3A in der kutanen Vitamin D-Synthese denkbar. Auf der anderen Seite könnten die kutanen CYP3A auch lokal oder systemisch verabreichte Medikamente in der Haut verstoffwechseln und so zur Entstehung immunologischer und nicht-immunologischer unerwünschter Arzneimittelwirkungen beitragen, von denen sich bis zu 45 % in der Haut manifestieren.rnDie Arbeitshypothese dieses Projekts war, dass die CYP3A die kutane Synthese von Vitamin D regulieren. In dieser Funktion wurden sie zur Vermeidung von Vitamin D-Mangel-Erkrankungen wie Rachitis oder Osteomalazie in Europäern negativ selektiert. rnDie Expression und Regulation der CYP3A wurde in Hautbiopsien, einer Zelllinie epidermalen Ursprungs und primären Hautzellen wie auch in transgenen Mäusen untersucht. Die metabolische Aktivität der CYP3A gegenüber den kutanen Vitamin D-Vorstufen wurde mit Hilfe rekombinant exprimierter Enzyme untersucht. CYP3A5-mRNA war die häufigste der CYP3A in humanen Hautproben und überstieg die von CYP3A4 um das Dreifache, die von CYP3A7 um das 130-Fache. Damit entsprach diese 1,3 %, 0,01 % bzw. 0,01 % der jeweiligen hepatischen Genexpression. Die Expression von CYP3A43 war zu vernachlässigen. CYP3A5 zeigte eine bimodale Expression sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene. So zeigten Träger der Wildtyp-Allels *1 eine 3,3-fach höhere mRNA- und 1,8-fach höhere Proteinmenge als homozygote Träger des Nullallels *3. CYP3A4/7- und CYP3A5-Protein wurde v. a. in den Keratinozyten der Epidermis und den Talgdrüsen, also den Bereichen der kutanen Vitamin D-Synthese lokalisiert. Die CYP3A5-Expression wurde ferner in der Haut transgener Mäusen gezeigt, die das Reportergen Luziferase unter Kontrolle des humanen CYP3A5-Promoters exprimieren. Verglichen mit der Leber war die kutane Expression des Vitamin D-Rezeptors (VDR) 100-fach höher, die der Xenosensoren CAR und PXR vergleichbar bzw. zu vernachlässigen. Dementsprechend erhöhte die Behandlung mit 1,25-Dihydroxyvitamin D, dem aktiven Vitamin D-Hormon, und dessen Vorstufen außer 7-Dehydrocholesterol, jedoch nicht der PXR-Ligand Rifampicin, die Expression der CYP3A. Wie in Zwei-Hybrid-Experimenten gezeigt, wurden die Effekte des 1,25-Dihydroxyvitamin D und dessen Vorstufen alleinig durch VDR vermittelt. Die Effektstärke hingegen war abhängig von Zellspender, Zellpassage und Zelltypus. Alle drei CYP3A-Isozyme metabolisieren Vitamin D zu einem oder mehreren unbekannten Metaboliten, jedoch nicht zu 25-Hydroxyvitamin D, dem direkten Vorläufer des aktiven Vitamin D. rnZusammengefasst legen die Daten nahe, dass die kutanen CYP3A, allen voran CYP3A5, die Vitamin D-Homöostase durch VDR-vermittelte Induktion des Abbaus von Vitamin D-Vorstufen regulieren. Dies zusammen mit Sequenzdaten liefert starke Indizien für Vitamin D als treibende Kraft der Selektion des CYP3A-Lokus in Europäern. Der Einfluss der CYP3A-Expression auf selektiv wirksame, klinisch relevante Knochenveränderungen wie Rachitis oder Osteomalazie müssen folgen.rn

In the liver and small intestine CYP3A enzymes metabolize the vast majority of xenobiotics taken up by the human body. However, these enzymes are also expressed in other organs, including skin. Neither the exact isozyme composition nor the physiological role of the cutaneous CYP3A expression are known. Based on limited in vitro data, CYP3A could play a role in the cutaneous synthesis of vitamin D. CYP3A could also catalyze the cutaneous drug metabolism of topically or systemically applied drugs. In this capacity, CYP3A could contribute to immunologic and non-immunologic adverse drug reactions, up to 45 % of which manifest in human skin. Besides, a number of genetic approaches locate signatures of positive selection to the CYP3A locus, however the driving force remains unclear.rnThe working hypothesis of this project was that CYP3A regulate the cutaneous synthesis of vitamin D. In this role CYP3A expression underwent purifying selection in European populations to prevent vitamin D deficiency and bone malformations like rickets and osteomalacia.rnThe expression and regulation of CYP3A was investigated in skin samples, in a skin-derived cell line and in primary skin cells, and in transgenic mice. The metabolic activity of CYP3A towards cutaneous vitamin D precursors was addressed by means of recombinant enzymes. CYP3A5-mRNA was the most abundant CYP3A in human skin biopsies, exceeding CYP3A-mRNA 3- and CYP3A7 130-fold, and corresponding, respectively, to 1.3 %, 0.01 % and less than 0.01 % of the these genes’ hepatic expression levels. The expression of CYP3A43-mRNA was negligible. CYP3A5 was bi-modally expressed both on mRNA and protein level, with carriers of the expresser allele *1 showing a 3.3-fold higher mRNA, and a 1.8-fold higher protein expression than homozygous carriers of the *3 allele. CYP3A4/7- and CYP3A5-proteins localized mainly to the keratinocytes of the epidermis as well as to the sebaceous glands, i. e. to areas of vitamin D synthesis. The cutaneous expression of CYP3A5 was also observed in transgenic mice carrying a luciferase reporter gene under the control of a human CYP3A5 promoter. Compared to the liver, the vitamin D receptor (VDR) expression was 100-fold higher, that of CAR comparable, and that of PXR negligible. Correspondingly, CYP3A expression was increased by 1,25-dihydroxyvitamin D, the active vitamin D, and its precursors except of 7-dehydrocholesterol, but not by rifampicin. As revealed by two-hybrid assays, the response to 1,25-dihydroxyvitamin D and its precursors was mediated via VDR. Its magnitude was cell donor-, cell passage-, and cell type-dependent. All three CYP3A isozymes metabolized vitamin D to (an) unknown metabolite(s) different from 25-hydroxyvitamin D, the immediate precursor of the active vitamin D. Taken together, these data suggest that cutaneous CYP3A, predominantly CYP3A5, may regulate the vitamin D homeostasis via VDR-mediated induction of its metabolism. The assessment of clinical effects of the CYP3A expression status clinical phenotypes such as rickets should follow.rn