Comparative genomics and phylogenetics of the vertebrate CYP3 family

CYP3A verstoffwechselt mehr als 50% aller gegenwärtig in der Therapie eingesetzten Wirkstoffe, die häufig an klinisch relevanten Arzneimitttel-Wechselwirkungen beteiligt sind. Das Verständnis über die Bedeutung und die Regulation von einzelnen CYP3A Genen in der Pharmakologie und Physiologie ist unvollständig. Wir untersuchten die Evolution des CYP3 Genlokus über einen Zeitraum von 450 Millionen Jahre mittels genomischer Sequenzen von 16 Tierarten. Neue CYP3 Unterfamilien (CYP3B, C und D) entstanden über eine beschleunigte Evolution aus CYP3A Vorstufen von Clupeocephala Spezies. Ausgeprägte funktionelle Unterschiede traten zwischen CYP3A in Säugern und Clupeocephala CYP3 auf. Alle amnioten CYP3A Gene entwickelten sich aus zwei CYP3A Urgenen. Aufgrund der Entstehung von Säugern mit Plazenta ging eines von ihnen verloren während das andere eine neue genomische Umgebung infolge einer Translokation erlangte. In Primaten unterzog sich CYP3A mit mehreren Genduplikationen, Deletionen, Pseudogenisierung und Genkonversionen einer raschen evolutionären Veränderung. Die Entwicklung von CYP3A in Schmalnasenaffen (Alte Welt Affen, große Menschenaffen und Menschen) unterschieden sich wesentlich von Neue Welt Primaten (z.B. gewöhnlichen Krallenaffen) und Feuchtnasenaffen (z.B. Galago). Stellvertretend für die CYP3A Protein-codierende Sequenz entdeckten wir zwei frühe Episoden von besonders starker positiver Selektion: (1) auf CYP3A7 in der frühen hominoiden Evolution, welche im fetalen Zeitraum von einer Einschränkung der hepatischen Expression begleitet war, und (2) auf humanes CYP3A4 im Anschluss an die Teilung der Abstammungslinie in Schimpansen und Mensch. In Übereinstimmung mit diesen Befunden beeinflussen drei von vier positiv ausgewählten Aminosäuren, die in früheren biochemischen CYP3A Studien untersucht wurden, die Aktivität und Regioselektivität. Es ist somit naheliegend, dass CYP3A7 und CYP3A4 katalytische Funktionen erworben haben können, die besonders wichtig waren für die Evolution von Hominoiden und Menschen. Die Charakterisierung von CYP3A Promotoren in Primaten zeigte eine Anreicherung von ER6 Elementen in CYP3A Promotoren von Primaten und einen Trend in Richtung Erhöhung der ER6 Enstehung entlang den Abstammungslinien, die zu humanen und Schimpansen CYP3A4 führten. Die steigende Anzahl an ER6 Elementen kann durch die ausgeprägte CYP3A4 Induzierbarkeit und Expressionsvariabilität im Menschen verursacht sein.

CYP3A metabolize 50% of currently prescribed drugs and are frequently involved in clinically relevant drug interactions. The understanding of roles and regulations of the individual CYP3A genes in pharmacology and physiology is incomplete. Using genomic sequences from 16 species we investigated the evolution of CYP3 genomic loci over a period of 450 million years. Novel CYP3 subfamilies (CYP3B, C and D) developed from their CYP3A precursors in Clupeocephala species through accelerated evolution. Pronounced functional divergence occurred between mammalian CYP3A and Clupeocephala CYP3. All amniota CYP3A genes evolved from two ancestral CYP3A genes. Upon the emergence of eutherian mammals, one of them was lost while the other acquired a novel genomic environment due to translocation. In primates, CYP3A underwent rapid evolutionary changes involving multiple gene duplications, deletions, pseudogenizations, and gene conversions. The expansion of CYP3A in catarrhines (Old World monkeys, great apes and humans) differed substantially from New World primates (e.g. common marmoset) and strepsirrhines (e.g. galago). We detected two recent episodes of particularly strong positive selection acting on primate CYP3A protein-coding sequence: (1) on CYP3A7 early in hominoid evolution, which was accompanied by a restriction of its hepatic expression to fetal period, and (2) on human CYP3A4 following the split of the chimpanzee and human lineages. In agreement with these findings, three out of four positively selected amino acids investigated in previous biochemical studies of CYP3A affect the activity and regioselectivity suggesting CYP3A7 and CYP3A4 may have acquired catalytic functions especially important for the evolution of hominoids and humans, respectively. Characterization of primate CYP3A promoters revealed an enrichment of ER6 elements in primate CYP3A promoters and a trend towards increase in ER6 formation along lineages leading to human and chimpanzee CYP3A4. The increase in the number of ER6 elements may be causative to the pronounced CYP3A4 inducibility and expression variability in humans.