Use of High Doses of Quetiapine in Bipolar Disorder Episodes are not Linked to High Activity of Cytochrome P4503A4 and/or Cytochrome P4502D6.

The use of quetiapine for treatment of bipolar disorders at a higher dosage than the licensed range is not unusual in clinical practice. Quetiapine is predominantly metabolised by cytochrome P450 3A4 (CYP3A4) and to a lesser extent by CYP2D6. The large interindividual variability of those isozyme activities could contribute to the variability observed in quetiapine dosage. The aim of the present study is to evaluate if the use of high dosages of quetiapine in some patients, as compared to patients treated with a dosage in the licensed range (up to 800 mg/day), could be explained by a high activity of CYP3A4 and/or of CYP2D6. CYP3A4 activities were determined using the midazolam metabolic ratio in 21 bipolar and schizoaffective bipolar patients genotyped for CYP2D6. 9 patients were treated with a high quetiapine dosage (mean ± SD, median; range: 1467 ± 625, 1200; 1000-3000 mg/day) and 11 with a normal quetiapine dosage (433 ± 274, 350; 100-800 mg/day). One patient in the high dose and one patient in the normal dose groups were genotyped as CYP2D6 ultrarapid metabolizers. CYP3A4 activities were not significantly different between the two groups (midazolam metabolic ratio: 9.4 ± 8.2; 6.2; 1.7-26.8 vs 3.9 ± 2.3; 3.8; 1.5-7.6, in the normal dose group as compared to the high dose group, respectively, NS). The use of high quetiapine dosage for the patients included in the present study cannot be explained by variations in pharmacokinetics parameters such as a high activity of CYP3A4 and/or of CYP2D6.

Modulation of expression and activity of cytochrome P450s and alteration of praziquantel kinetics during murine schistosomiasis

In this study, we investigated the expression and activity of liver cytochrome P450s (CYPs) and praziquantel (PZQ) kinetics in mice infected with Schistosoma mansoni. Swiss Webster (SW) mice of both genders were infected (100 cercariae) on postnatal day 10 and killed on post-infection days (PIDs) 30 or 55. Non-infected mice of the same age and sex served as controls. Regardless of mouse sex, infection depressed the activities of CYP1A [ethoxy/methoxy-resorufin-O-dealkylases (EROD/MROD)], 2B9/10 [pentoxy/benzyloxy-resorufin-O-dealkylases (PROD, BROD)], 2E1 [p-nitrophenol-hydroxylase (PNPH)] and 3A11 [erythromycin N-demethylase (END)] on PID 55 but not on PID 30. On PID 55, infection decreased liver CYP mRNA levels (real-time reverse transcription-polymerase chain reaction). On PID 30, whereas mRNA levels remained unaltered in males, they were depressed in females. Plasma PZQ (200 and 400 mg/kg body weight intraperitoneally) levels were measured (high-performance liquid chromatography) at different post-treatment intervals. In males and females, infection delayed the PZQ clearance on PID 55, but not on PID 30. Therefore, it can be concluded that schistosomiasis down-modulated CYP expression and activity and delayed PZQ clearance on PID 55, when a great number of parasite eggs were lodged in the liver. On PID 30, when egg-laying was initiated by the worms, no change of CYP expression and activity was found, except for a depression of CYP1A2 and 3A11 mRNAs in female mice.

Cytochrome P-450 activities in human and rat brain microsomes.

The role of cytochrome P450 in the metabolism of dextromethorphan, amitriptyline, midazolam, S-mephenytoin, citalopram, fluoxetine and sertraline was investigated in rat and human brain microsomes. Depending on the parameters, the limit of quantification using gas chromatography-mass spectrometry methods was between 1.6 and 20 pmol per incubation, which generally contained 1500 microg protein. Amitriptyline was shown to be demethylated to nortriptyline by both rat and human microsomes. Inhibition studies using ketoconazole, furafylline, sulfaphenazole, omeprazole and quinidine suggested that CYP3A4 is the isoform responsible for this reaction whereas CYP1A2, CYP2C9, CYP2C19 and CYP2D6 do not seem to be involved. This result was confirmed by using a monoclonal antibody against CYP3A4. Dextromethorphan was metabolized to dextrorphan in rat brain microsomes and was inhibited by quinidine and by a polyclonal antibody against CYP2D6. Only the addition of exogenous reductase allowed the measurement of this activity in human brain microsomes. Metabolites of the other substrates could not be detected, possibly due to an insufficiently sensitive method. It is concluded that cytochrome P450 activity in the brain is very low, but that psychotropic drugs could undergo a local cerebral metabolism which could have pharmacological and/or toxicological consequences.

Pharmacogenetics of Antiviral Treatment

RESUME - FRANÇAISRésuméDans ce travail de thèse, l'importance de la pharmacogénétique des traitements antiviraux a été évaluée en déterminant, au moyen de trois différentes approches, l'impact de variations génétiques sur la pharmacocinétique de deux traitements antirétroviraux (à savoir l'efavirenz et le lopinavir) ainsi que sur la capacité de pouvoir éliminer le virus de l'hépatite C de façon naturelle ou suite à un traitement médicamenteux.L'influence des variations génétiques sur les taux plasmatiques de l'efavirenz et de ses métabolites primaires a été évaluée par l'analyse d'un seul gène candidat : le cytochrome P450 (CYP) 2A6, impliqué dans une voie métabolique accessoire de l'efavirenz. Cette étude a permis de démontrer que le génotype du CYP2A6 devient cliniquement déterminant en l'absence de fonction du CYP2B6, impliqué dans la voie métabolique principale, et que la perte simultanée des voies métaboliques principales et accessoires entraine une augmen¬tation du risque d'interruption du traitement, soulignant la valeur prédictive du génotypage.L'influence de la génétique sur la clairance du lopinavir a été évaluée par l'analyse à grande échelle de gènes candidats, à savoir les gènes potentiellement impliqués dans l'absorption, le métabolisme, la distribution et l'élimination d'un médicament. Cette étude a permis l'identification de 4 polymorphismes, dans des transporteurs et des enzymes métaboliques, associés à la clairance du lopinavir et expliquant 5% de la variabilité inter¬individuelle de ce phénotype.L'influence de la génétique sur la capacité d'éliminer le virus de l'hépatite C, de façon naturelle ou à la suite d'un traitement, a été évaluée par l'analyse du génome entier. Cette étude a permis l'identification d'un polymorphisme situé à proximité de l'interféron-X3. Quatre variations génétiques potentiellement causales ont ensuite pu être identifiées par reséquencage. Finalement, la contribution nette de ce gène sur l'élimination du virus a pu être évaluée dans une cohorte infectée par une seule et même source, permettant ainsi de contrôler l'effet de la diversité virale, du genre et de la présence de co-infections.Cette thèse a permis de mettre en évidence les diverses méthodes disponibles pour la recherche en pharmacogénétique, ainsi que l'importance du reséquencage pour l'identification de variations génétiques causales.SUMMARY - ENGLISHSummaryIn this thesis work the relevance of pharmacogenetics of antiviral treatment has been assessed by investigating, through three different approaches, the impact of host genetic variation on antiretroviral drug disposition (namely efavirenz and lopinavir) and on natural or treatment-induced clearance of hepatitis C virus.The influence of host genetic variation on efavirenz and its primary metabolite plasma levels was assessed by single candidate gene approach, through comprehensive analysis of cytochrome P450 (CYP) 2A6 - involved in efavirenz accessory metabolic pathway. The study could demonstrate that CYP2A6 genotype became increasingly relevant in the setting of limited CYP2B6 function - involved in efavirenz main metabolic pathway - and that individuals with both main and accessory metabolic pathways impaired were at higher risk for treatment discontinuation, overall emphasizing the predictive power of genotyping.The influence of host genetic variation on lopinavir clearance was assessed by large scale candidate gene approach, through analysis of genes involved in the absorption, distribution, metabolism and elimination. The study identified four genetic variants in drug transporters and metabolizing enzymes that explained 5% of the interindividual variability in lopinavir clearance.The influence of host genetic variation on hepatitis C virus (HCV) natural or treatment- induced clearance was assessed through genome-wide association study approach. This study identified an intergenic polymorphism, part of a linkage disequilibrium block encompassing the interferon-3 gene, as highly associated with treatment-induced and spontaneous HCV clearance. Resequencing and recombinant mapping lead to the identification of four potentially causal genetic variants. Finally, we could assess the net contribution of genetic variants in interferon-3 to clearance by controlling for viral diversity, gender and co-infection status in a single source infected cohort.This thesis highlights the various genetic tools available to pharmacogenetic discovery (candidate gene, pathway or and genome-wide approaches), and the importance of resequencing for mapping of causal variants.

The 21-dehydroxylation of corticosteroids: evidence for an enol intermediate and the hydroxylation of steroids by fungal cyto-chrome P450: evidence for a stepwise mechanism

Two enzyme mechanisms were examined: the 21-dehydroxylation of corticosteroids by the anaerobe Eubacterium l en tum, and the hydroxylation of steroids by fungal cytochrome P450. Deuterium labelling techniques were used to study the enzymic dehydroxylation. Corticosteroids doubly labelled (2H) at the C-21 position were incubated with a culture of Eubacterium lentum. It was found that t he enzymic dehydroxylation proceeded with the loss of one 2H f rom C-21 per molecule of substrate. The kinetic isotope ef fect f or the reaction was found to be k~kD = 2. 28. These results suggest that enzyme/substr ate binding in this case may proceed via t he enol form of the substrate. Also , it appears that this binding is, at least in part, the rate determining step of t he reaction. The hydroxylation of steroids by fungal cytochrome P450 was examined by means of a product study. Steroids with a double bond at the A8 (9), ~( lO ), or ~ (ll) position were synthesized. These steroids were then incubated with fungal strains known to use a cytochrome P450 monooxygenase to hydroxylate at positions allylic to these doubl e bonds. The products formed in these incubations indicated that the double bonds had migrated during allylic hydroxylat ion. This suggests that a carbon centred radical or ion may be an intermediate i n the cytochrome P450 cat alytic cycle.

Modulation de l'expression et de l'activité de la NADPH P450 réductase chez le lapin.

L’activité catalytique du cytochrome P450 dépend de la disponibilité d’électrons produits par la NADPH P450 réductase (NPR). Notre étude a pour but de déterminer comment l’expression de la NPR est modulée chez le lapin. Afin de comprendre comment l’expression de la NPR est modulée, des hépatocytes de lapins témoins ont été incubés pendant 2, 4, 24 et 48 heures en présence de plusieurs activateurs de facteurs de transcription connus du cytochrome P450. De plus, des lapins ayant reçu une injection sous-cutanée de térébenthine afin de produire une réaction inflammatoire aseptique sont sacrifiés 48 heures plus tard dans le but d’étudier les effets de l’inflammation sur l’expression de la NPR. La rosiglitazone, le fénofibrate, l’acétate de plomb et le chlorure de cobalt (des inducteurs des PPAR, PPAR, AP-1 et HIF-1), après 48 heures d’incubation, n’ont provoqué aucun changement d’expression ou d’activité de la NPR. Après 48 heures d’incubation, la dexaméthasone (Dexa) a augmenté la quantité d’ARNm (QT-PCR), l’expression et l’activité de la NPR (p<0,05), en plus d’augmenter l’ARNm des récepteurs nucléaires CAR (récepteur constitutif à l’androstane) et PXR (récepteur X prégnane) (p<0.05). Le phénobarbital (PB) a augmenté seulement l’activité de la NPR (p<0.05). Par contre, après 48 heures d’incubation, la combinaison PB et Dexa a augmenté la quantité d’ARNm, ainsi que l’expression et l’activité de la NPR (p<0.05). La combinaison de PB et Dexa a induit une augmentation d’ARNm des récepteurs nucléaires CAR, PXR et RXR (récepteur X du rétinoïde) plus précocement, soit après 2 heures d’incubation (p<0.05). Le PD098059 (PD), un bloqueur de l’activation de MAPK1 (mitogen-activated protein kinase), et l’acide okadaïque (OA), un inhibiteur de la protéine phosphatase 2A (PP2A), ont bloqué l'augmentation d'expression et d'activité de la NPR induite par le PB après 48 heures d’incubation. La réaction inflammatoire aseptique a diminué l’expression et l’activité de la NPR après 48 heures d’incubation (p<0.05). On conclue que la dexaméthasone et le phénobarbital sont des inducteurs potentiels de la NPR et que les voies de signalisation de CAR, PXR et RXR semblent être impliquées dans le contrôle de cette induction. Des études supplémentaires devront être complétées afin de confirmer ces résultats préliminaires.

Characterizing the Expression of Cytochrome P450s in Breast Cancer Cells

Une résistance aux agents anticancéreux utilisés dans le traitement du cancer du sein est souvent associée à un échec de traitement. Des variations dans le devenir des agents anticancéreux dans l’organisme, sont des facteurs pouvant expliquer des phénomènes de résistance. Notre but était d’évaluer l’impact des isoenzymes du CYP450s, dans le métabolisme local des agents anticancéreux. Notre premier objectif était de valider un gène rapporteur pour nos analyses de PCR en temps réel. Pour ce faire, nous avons criblé l’expression de 6 gènes rapporteurs dans 23 lignées cellulaires. NUP-214 a été démontré comme étant le gène rapporteur le plus stable avec un écart-type de seulement 0.55 Ct. Notre deuxième objectif était de déterminer le niveau d’expression des ARNm de 19 isoformes du CYP450 dans plusieurs lignées cellulaires du cancer du sein. Les ARNm des CYP450s ont démontré une très grande variabilité entre les lignées cellulaires. Les isoformes CYP1B1 et CYP2J2 démontrent l’expression la plus importante pour la majorité des lignées. Notre troisième objectif était d’évaluer la corrélation entre l’expression des isoformes des CYP450s et leur activité métabolique en utilisant les substrats spécifiques du CYP1B1 et 2J2, 7-éthoxyrésorufine et ébastine, respectivement. Une forte corrélation (r2=0.99) fut observée entre l’activité métabolique vis-à-vis l’ébastine et l’expression du CYP2J2. De même, le métabolisme du 7-éthoxyrésorufine était fortement corrélé (r2=0.98) avec l’expression du CYP1B1. En résumé, ces résultats suggèrent que le métabolisme local des agents anticancéreux pourrait significativement moduler le devenir des agents anticancéreux dans l’organisme, et pourrait être ainsi, une source de résistance.

L’inhibition des cytochromes P450 dans les cas d’insuffisance rénale chronique : rôle de l’hormone parathyroïdienne.

L’insuffisance rénale chronique (IRC) est associée à une réduction du métabolisme de plusieurs médicaments, due à une diminution du cytochrome P450 (CYP450) hépatique. Nos études précédentes ont montré que l’IRC affecte l’activité in vivo et in vitro, de même que l’expression protéique et génique des différents isoformes du CYP450, via la présence du sérum urémique et de l’hormone parathyroïdienne (PTH). Ce projet de doctorat se divise en quatre parties. Premièrement, nous avons développé une méthode d’analyse de l’activité du CYP450, à l’aide de la production du 3-hydroxy-5,5-dimethyl-4-[4-(methylsulfonyl)phenyl] furan-2(5H)-one (DFH) à partir du 3-[(3,4-difluorobenzyl)oxy]-5,5-dimethyl-4-[4-methylsulfonyl)phenyl] furan-2(5H)-one (DFB). Cette méthode nous a permis de mieux quantifier l’activité dans les études subséquentes. Deuxièmement, l’activité du CYP450 3A est diminuée chez les patients atteints d’IRC. De plus, il a déjà été démontré que des toxines urémiques dialysables seraient impliquées puisque l’hémodialyse prévient cette inhibition du CYP450. Par contre, le mécanisme expliquant l’amélioration transitoire la composition du sérum de patients atteints d’IRC par l’hémodialyse n’est pas connu. L’objectif du projet est d’évaluer l’effet de l’hémodialyse sur l’expression protéique et génique, de même que sur l’activité du CYP450 3A2 dans un modèle d’hépatocytes de rat en culture. Troisièmement, la déficience en calcidiol est fréquente dans les cas d’IRC et l’étiologie est peu connue. Nous avons récemment montré que l’IRC est associée à une diminution du métabolisme des médicaments par le foie suite à une réduction des différents isoformes du CYP450 en partie médiée par l’hormone parathyroïdienne (PTH). La 25-hydroxylation de la vitamine D, au niveau du foie, permet la formation du calcidiol par différents isoformes du CYP450 (CYP2C11, 27A1, 2R1, 3A2 et 2J3) et pourrait être ainsi altérée en présence d’IRC. Les objectifs de cette étude sont de a) confirmer la diminution de synthèse de calcidiol en présence d’IRC et b) évaluer le rôle de la PTH dans la déficience en calcidiol. Finalement, afin de mieux comprendre les inhibitions du CYP450, nous avons étudié les voies de signalisation impliquées dans la régulation du CYP450 en présence d’IRC et avec la PTH puisque les mécanismes d’action demeurent imprécis. La contribution des facteurs de transcription et des récepteurs nucléaires suivants est étudiée ; le récepteur pregnane X (PXR), le récepteur constitutif androstane (CAR) et le facteur nucléaire kappa B (NF-κB), puisqu’ils sont potentiellement activés par le récepteur de la PTH et ces molécules ont été précédemment impliqués dans la régulation du CYP450. Les résultats obtenus montrent que l’hémodialyse des patients atteints d’IRC améliore transitoirement l’expression du CYP450 lorsque des hépatocytes sont mis en culture avec du sérum provenant de ces patients. Aussi, la 25-hydroxylation de la vitamine D est affectée par l’IRC. Les voies de signalisation du NF-κB et les facteurs nucléaires PXR et CAR sont impliqués dans l’inhibition du CYP450. En conclusion, l’IRC affecte, non seulement le métabolisme des médicaments mais aussi l’hydroxylation de la vitamine D, un des rôles endogènes effectués par le CYP450. Ces études nous permettent de mieux comprendre les effets de l’IRC afin de mieux cibler les traitements de choix pour les patients qui en sont atteints.

Induction of cytochrome P-450 activity in individual Chironomus riparius Meigen larvae exposed to xenobiotics

Cytochrome P450 activity in individual Chironomus riparius larvae was measured using a microtiter plate adaptation of the ethoxyresorufin-O-deethylase (EROD) assay. The sensitivity of this biomarker was tested by exposing larvae to phenobarbital (0.5 and 1.0 mM) and permethrin (1 and 10 mug/g). Both chemicals induced EROD activity in C. riparius larvae by up to 1.58-fold with PB and 2.47-fold with permethrin. EROD induction was more pronounced after 48 h. The initially high EROD activity in the controls suggested that P450s are induced by stress. Feeding levels prior to exposure also had a significant effect on EROD activity. EROD activity compared to the control was highest when larvae were fed double the normal ration. These results indicate that EROD activity in individual C. riparius may be a useful biomarker to add to a suite of biomarkers for the detection of freshwater pollution. (C) 2002 Elsevier Science (USA). All rights reserved.

Metabolismus von Psychopharmaka durch das Cytochrom P450-Enzymsystem im Alter

Altern geht mit einer Reihe physiologischer Veränderungen einher. Da in höherem Lebensalter überdurchschnittlich viele Arzneistoffe eingenommen werden und häufig mehrere Erkrankungen gleichzeitig vorliegen, können Auffälligkeiten in den Arzneimittelkonzentrationen im Blut nicht nur altersbedingt, sondern auch krankheitsbedingt oder durch Arzneimittelwechselwirkungen verursacht sein.rnrnDie vorliegende Arbeit untersucht die Fragestellung, ob der Arzneimittelmetabolismus bei Alterspatenten generell, oder nur bei Patienten mit Multimorbidität und –medikation verändert ist, und in welchem Lebensalter diese Veränderungen einsetzen. Im Mittelpunkt stand dabei die Frage, ob die Aktivitäten distinkter Arzneimittel-abbauender Enzyme der Cytochrom P450-Enzym-Familie (CYP) verändert sind. Da viele Psychopharmaka nur bei Patienten im Alter zwischen 18 und 65 Jahren zugelassen sind, wurde die Hypothese geprüft, dass sich Patienten im Alter über und unter 65 Jahren in ihren Medikamentenspiegeln unterscheiden.rnrnFür die Untersuchungen wurde eine Datenbank aus Blutspiegelmessungen erstellt, die im Rahmen des pharmakotherapiebegleitenden TDM erhoben worden waren. Die Blutspiegel stammten von insgesamt 4197 Patienten, die mit Amisulprid, Aripiprazol, Citalopram, Clozapin, Donepezil, Escitalopram, Mirtazapin, Quetiapin, Risperidon, Sertralin, Venlafaxin oder Ziprasidon behandelt wurden. Die Messungen wurden ergänzt mit Angaben aus den TDM-Anforderungsscheinen bezüglich Tagesdosis, Begleitmedikamenten, Schweregrad der Erkrankung, Therapieerfolg und Verträglichkeit der Medikation. Zusätzlich wurden klinische Befunde der Leber- und Nierenfunktion einbezogen, sowie Angaben zur Berechnung des BMI. Die in vivo-CYP-Enzymaktivitäten wurden anhand von metabolischen Ratios (Serumkonzentrationen Metabolit/ Serumkonzentration Muttersubstanz) beurteilt.rnrnIm Mittel stieg der Schweregrad der Erkrankung mit dem Alter und der Therapieerfolg verschlechterte sich. Dies betraf im Einzelnen nur Patienten, die mit Amisulprid oder Clozapin behandelt worden waren. Ältere Patienten litten häufiger an Nebenwirkungen als jüngere.rnUnter Aripiprazol, Quetiapin, Sertralin und Venlafaxin erreichten Alterspatienten mit niedrigeren Tagesdosen gleiche Therapieerfolge wie jüngere Patienten.rnPatienten, die mit Clozapin oder Amisulprid behandelt wurden, zeigten im Alter schlechtere Behandlungserfolge bei gleicher (Clozapin) bzw. niedrigerer (Amisulprid) Tagesdosis.rnTherapieerfolg und mittlere Tagesdosis änderten sich bei Patienten, die Ziprasidon, Donepezil, Citalopram, Escitalopram und Mirtazapin einnahmen, nicht altersabhängig.rnrnAltersabhängige Unterschiede der Serumspiegel zeigten sich für Amisulprid, Aripiprazol, Donepezil, Mirtazapin, Desmethylmirtazapin, Quetiapin und DesmethylsertralinrnAllerdings lagen die Altersgrenzen außer bei Donepezil deutlich niedriger als die gängig angenommene, nämlich bei 35 Jahren (Aripiprazol), 70 Jahren (Donepezil), 55 Jahren (D-Sertralin), 41 Jahren (Amisulprid), 49 Jahren (Quetiapin) und 58 Jahren (Mirtazapin).rnEs bestand kein Zusammenhang zwischen dem Auftreten veränderter Serumspiegel im Alter und dem Verteilungsvolumen, der Plasmaproteinbindung oder der Eliminationshalbwertszeit der untersuchten Wirkstoffe.rnrnBei Patienten ohne Comedikation fand sich in keinem Fall eine altersabhängige Veränderung der Ratio. Es ergab sich daher kein Hinweis auf eine Veränderung der CYP-Aktivität im Alter. Die Einnahme von Comedikation nahm mit dem Alter zu, hierfür ließ sich eine Altersgrenze von 49 Jahren definieren. Unter Polytherapie wurden Veränderungen der CYP-Aktivität beobachtet.rnrnDer Einfluss veränderter Leber- oder Nierenfunktion auf die Biotransformation von Pharmaka wurde anhand von Serumspiegeln von Patienten, die mit Donepezil, Venlafaxin, Citalopram oder Escitalopram behandelt wurden, untersucht. rnBei keinem Wirkstoff wurden unter auffälligen Leber- oder Nierenparametern signifikant veränderte Serumspiegel gemessen.rnEine Abhängigkeit der Serumspiegel vom Körpergewicht wurde nur für Desmethylsertralin gefunden. Die Spiegel waren bei Patienten mit einem Body Mass Index unter 20 signifikant höher als bei Patienten mit einem Index über 20. Aufgrund der kleinen Fallgruppe und der Tatsache, dass der Serumspiegel der Muttersubstanz nicht stieg, konnte nicht zwingend von einem Alterseinfluss aufgrund der veränderten Körperzusammensetzung ausgegangen werden.rnInsgesamt ergaben sich aus den Untersuchungen Hinweise auf moderate altersabhängige Veränderungen der Pharmakokinetik. Es ließen sich allerdings keine allgemeinen Dosierempfehlungen für Alterspatienten ableiten. Es zeigte sich jedoch, dass mit altersabhängigen Veränderungen der Pharmakokinetik bereits nach dem 50. Lebensjahr zu rechnen ist. Weitere Untersuchungen sollten auch den Alterseffekt auf gastrointestinale Transporter einbeziehen, die die aktive Aufnahme von Arzneistoffen ins Blut bewerkstelligen. Unklar ist auch die Rolle des Alterns auf die Aktivität des P-Glykoproteins. rn

Reduction in hepatic drug metabolizing CYP3A4 activities caused by P450 oxidoreductase mutations identified in patients with disordered steroid metabolism

Cytochrome P450 3A4 (CYP3A4), the major P450 present in human liver metabolizes approximately half the drugs in clinical use and requires electrons supplied from NADPH through NADPH-P450 reductase (POR, CPR). Mutations in human POR cause a rare form of congenital adrenal hyperplasia from diminished activities of steroid metabolizing P450s. In this study we examined the effect of mutations in POR on CYP3A4 activity. We used purified preparations of wild type and mutant human POR and in vitro reconstitution with purified CYP3A4 to perform kinetic studies. We are reporting that mutations in POR identified in patients with disordered steroidogenesis/Antley-Bixler syndrome (ABS) may reduce CYP3A4 activity, potentially affecting drug metabolism in individuals carrying mutant POR alleles. POR mutants Y181D, A457H, Y459H, V492E and R616X had more than 99% loss of CYP3A4 activity, while POR mutations A287P, C569Y and V608F lost 60-85% activity. Loss of CYP3A4 activity may result in increased risk of drug toxicities and adverse drug reactions in patients with POR mutations.

NADPH P450 oxidoreductase: structure, function, and pathology of diseases

Cytochrome P450 oxidoreductase (POR) is an enzyme that is essential for multiple metabolic processes, chiefly among them are reactions catalyzed by cytochrome P450 proteins for metabolism of steroid hormones, drugs and xenobiotics. Mutations in POR cause a complex set of disorders that often resemble defects in steroid metabolizing enzymes 17α-hydroxylase, 21-hydroxylase and aromatase. Since our initial reports of POR mutations in 2004, more than 200 different mutations and polymorphisms in POR gene have been identified. Several missense variations in POR have been tested for their effect on activities of multiple steroid and drug metabolizing P450 proteins. Mutations in POR may have variable effects on different P450 partner proteins depending on the location of the mutation. The POR mutations that disrupt the binding of co-factors have negative impact on all partner proteins, while mutations causing subtle structural changes may lead to altered interaction with specific partner proteins and the overall effect may be different for each partner. This review summarizes the recent discoveries related to mutations and polymorphisms in POR and discusses these mutations in the context of historical developments in the discovery and characterization of POR as an electron transfer protein. The review is focused on the structural, enzymatic and clinical implications of the mutations linked to newly identified disorders in humans, now categorized as POR deficiency.

Biochemical analysis of mutations in P450 oxidoreductase

All microsomal P450s require POR (cytochrome P450 reductase) for catalytic activity. Most of the clinically used drugs are metabolized by a small number of P450s and polymorphisms in the cytochrome P450s are known to cause changes in drug metabolism. We have recently found a number of POR missense mutations in the patients with disordered steroidogenesis. Our initial report described five missense mutations (A284P, R454H, V489E, C566Y and V605F) identified in four patients. We built bacterial expression vectors for each POR variant, purified the membranes expressing normal or variant POR and characterized their activities with cytochrome c and P450c17 assays. We have recently completed an extensive study of the range of POR mutations and characterized the mutants/polymorphisms A112V, T139A, M260V, Y456H, A500V, G536R, L562P, R613X, V628I and F643del from sequencing of patient DNA. We also studied POR variants Y179D, P225L, R313W, G410S and G501R that were available in databases or the published literature. We analysed the mutations with a three-dimensional model of human POR that was based on an essentially similar rat POR with known crystal structure. The missense mutations found in patients with disordered steroidogenesis mapped to functionally important domains of POR and the apparent polymorphisms mapped to less crucial regions. Since a variation in POR can alter the activity of all microsomal P450s, it can also affect the drug metabolism even with a normal P450. Understanding the genetic and biochemical basis of POR-mediated drug metabolism will provide valuable information about possible differences in P450-mediated reactions among the individuals carrying a variant or polymorphic form of POR.

Clinical, structural and functional implications of mutations and polymorphisms in human NADPH P450 oxidoreductase

Cytochrome P450 proteins are involved in metabolism of drugs and xenobiotics. In the endoplasmic reticulum a single nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH) P450 oxidoreductase (POR) supplies electrons to all microsomal P450s for catalytic activity. POR is a flavoprotein that contains both flavin mononucleotide and flavin adenine dinucleotide as cofactors and uses NADPH as the source of electrons. We have recently reported a number of POR mutations in the patients with disordered steroidogenesis. In the first report we had described missense mutations (A287P, R457H, V492E, C569Y, and V608F) identified in four patients with defects in steroid production. Each POR variant was produced as recombinant N-27 form of the enzyme in bacteria and as full-length form in yeast. Membranes from bacteria or yeast expressing normal or variant POR were purified and their activities were characterized in cytochrome c and CYP17A1 assays. Later we have published a larger study that described a whole range of POR mutations and characterized the mutants/polymorphisms A115V, T142A, M263V, Y459H, A503V, G539R, L565P, R616X, V631I, and F646del from the sequencing of patient DNA. We also studied POR variants Y181D, P228L, R316W, G413S, and G504R that were available in public databases or published literature. Three-dimensional structure of rat POR is known and we have used this structure to deduce the structure-function correlation of POR mutations in human. The missense mutations found in patients with disordered steroidogenesis are generally in the co-factor binding and functionally important domains of POR and the apparent polymorphisms are found in regions with lesser structural importance. A variation in POR can alter the activity of all microsomal P450s, and therefore, can affect the metabolism of drugs and xenobiotics even when the P450s involved are otherwise normal. It is important to study the genetic and biochemical basis of POR variants in human population to gain information about possible differences in P450 mediated reactions among the individuals carrying a variant or polymorphic form of POR that could impact their metabolism.

Ethanol-induced cytochrome P4502E1 causes carcinogenic etheno-DNA lesions in alcoholic liver disease

Oxidative stress is thought to play a major role in the pathogenesis of hepatocellular cancer (HCC), a frequent complication of alcoholic liver disease (ALD). However, the underlying mechanisms are poorly understood. In hepatocytes of ALD patients, we recently detected by immunohistochemistry significantly increased levels of carcinogenic etheno-DNA adducts that are formed by the reaction of the major lipid peroxidation product, 4-hydroxynonenal (4-HNE) with nucleobases. In the current study, we show that protein-bound 4-HNE and etheno-DNA adducts both strongly correlate with cytochrome P450 2E1 (CYP2E1) expression in patients with ALD (r = 0.9, P < 0.01). Increased levels of etheno-DNA adducts were also detected in the liver of alcohol-fed lean (Fa/?) and obese (fa/fa) Zucker rats. The number of nuclei in hepatocytes stained positively for etheno-DNA adducts correlated significantly with CYP2E1 expression (r = 0.6, P = 0.03). To further assess the role of CYP2E1 in the formation of etheno-DNA adducts, HepG2 cells stably transfected with human CYP2E1 were exposed to ethanol with or without chlormethiazole (CMZ), a specific CYP2E1 inhibitor. Ethanol increased etheno-DNA adducts in the nuclei of CYP2E1-transfected HepG2 cells in a concentration-dependent and time-dependent manner, but not in vector mock-transfected control cells. CMZ blocked the generation of etheno-DNA adducts by 70%-90% (P < 0.01). CONCLUSION: Our data support the assumption that ethanol-mediated induction of hepatic CYP2E1 leading inter alia to highly miscoding lipid peroxidation-derived DNA lesions may play a central role in hepatocarcinogenesis in patients with ALD.