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.

Therapeutisches drug monitoring bei antidepressiver Pharmakotherapie

Therapeutisches Drug Monitoring (TDM) umfasst die Messung von Medikamentenspiegeln im Blut und stellt die Ergebnisse in Zusammenhang mit dem klinischen Erscheinungsbild der Patienten. Dabei wird angenommen, dass die Konzentrationen im Blut besser mit der Wirkung korrelieren als die Dosis. Dies gilt auch für Antidepressiva. Voraussetzung für eine Therapiesteuerung durch TDM ist die Verfügbarkeit valider Messmethoden im Labor und die korrekte Anwendung des Verfahrens in der Klinik. Ziel dieser Arbeit war es, den Einsatz von TDM für die Depressionsbehandlung zu analysieren und zu verbessern. Im ersten Schritt wurde für das neu zugelassene Antidepressivum Duloxetin eine hochleistungsflüssig-chromatographische (HPLC) Methode mit Säulenschaltung und spektrophotometrischer Detektion etabliert und an Patienten für TDM angewandt. Durch Analyse von 280 Patientenproben wurde herausgefunden, dass Duloxetin-Konzentrationen von 60 bis 120 ng/ml mit gutem klinischen Ansprechen und einem geringen Risiko für Nebenwirkungen einhergingen. Bezüglich seines Interaktionspotentials erwies sich Duloxetin im Vergleich zu anderen Antidepressiva als schwacher Inhibitor des Cytochrom P450 (CYP) Isoenzyms 2D6. Es gab keinen Hinweis auf eine klinische Relevanz. Im zweiten Schritt sollte eine Methode entwickelt werden, mit der möglichst viele unterschiedliche Antidepressiva einschließlich deren Metaboliten messbar sind. Dazu wurde eine flüssigchromatographische Methode (HPLC) mit Ultraviolettspektroskopie (UV) entwickelt, mit der die quantitative Analyse von zehn antidepressiven und zusätzlich zwei antipsychotischen Substanzen innerhalb von 25 Minuten mit ausreichender Präzision und Richtigkeit (beide über 85%) und Sensitivität erlaubte. Durch Säulenschaltung war eine automatisierte Analyse von Blutplasma oder –serum möglich. Störende Matrixbestandteile konnten auf einer Vorsäule ohne vorherige Probenaufbereitung abgetrennt werden. Das kosten- und zeiteffektive Verfahren war eine deutliche Verbesserung für die Bewältigung von Proben im Laboralltag und damit für das TDM von Antidepressiva. Durch Analyse des klinischen Einsatzes von TDM wurden eine Reihe von Anwendungsfehlern identifiziert. Es wurde deshalb versucht, die klinische Anwendung des TDM von Antidepressiva durch die Umstellung von einer weitgehend händischen Dokumentation auf eine elektronische Bearbeitungsweise zu verbessern. Im Rahmen der Arbeit wurde untersucht, welchen Effekt man mit dieser Intervention erzielen konnte. Dazu wurde eine Labor-EDV eingeführt, mit der der Prozess vom Probeneingang bis zur Mitteilung der Messergebnisse auf die Stationen elektronisch erfolgte und die Anwendung von TDM vor und nach der Umstellung untersucht. Die Umstellung fand bei den behandelnden Ärzten gute Akzeptanz. Die Labor-EDV erlaubte eine kumulative Befundabfrage und eine Darstellung des Behandlungsverlaufs jedes einzelnen Patienten inklusive vorhergehender Klinikaufenthalte. Auf die Qualität der Anwendung von TDM hatte die Implementierung des Systems jedoch nur einen geringen Einfluss. Viele Anforderungen waren vor und nach der Einführung der EDV unverändert fehlerhaft, z.B. wurden häufig Messungen vor Erreichen des Steady State angefordert. Die Geschwindigkeit der Bearbeitung der Proben war im Vergleich zur vorher händischen Ausführung unverändert, ebenso die Qualität der Analysen bezüglich Richtigkeit und Präzision. Ausgesprochene Empfehlungen hinsichtlich der Dosierungsstrategie der angeforderten Substanzen wurden häufig nicht beachtet. Verkürzt wurde allerdings die mittlere Latenz, mit der eine Dosisanpassung nach Mitteilung des Laborbefundes erfolgte. Insgesamt ist es mit dieser Arbeit gelungen, einen Beitrag zur Verbesserung des Therapeutischen Drug Monitoring von Antidepressiva zu liefern. In der klinischen Anwendung sind allerdings Interventionen notwendig, um Anwendungsfehler beim TDM von Antidepressiva zu minimieren.

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.

Diversity and function of mutations in p450 oxidoreductase in patients with Antley-Bixler syndrome and disordered steroidogenesis

P450 oxidoreductase (POR) is the obligatory flavoprotein intermediate that transfers electrons from reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH) to all microsomal cytochrome P450 enzymes. Although mouse Por gene ablation causes embryonic lethality, POR missense mutations cause disordered steroidogenesis, ambiguous genitalia, and Antley-Bixler syndrome (ABS), which has also been attributed to fibroblast growth factor receptor 2 (FGFR2) mutations. We sequenced the POR gene and FGFR2 exons 8 and 10 in 32 individuals with ABS and/or hormonal findings that suggested POR deficiency. POR and FGFR2 mutations segregated completely. Fifteen patients carried POR mutations on both alleles, 4 carried mutations on only one allele, 10 carried FGFR2 or FGFR3 mutations, and 3 patients carried no mutations. The 34 affected POR alleles included 10 with A287P (all from whites) and 7 with R457H (four Japanese, one African, two whites); 17 of the 34 alleles carried 16 "private" mutations, including 9 missense and 7 frameshift mutations. These 11 missense mutations, plus 10 others found in databases or reported elsewhere, were recreated by site-directed mutagenesis and were assessed by four assays: reduction of cytochrome c, oxidation of NADPH, support of 17alpha-hydroxylase activity, and support of 17,20 lyase using human P450c17. Assays that were based on cytochrome c, which is not a physiologic substrate for POR, correlated poorly with clinical phenotype, but assays that were based on POR's support of catalysis by P450c17--the enzyme most closely associated with the hormonal phenotype--provided an excellent genotype/phenotype correlation. Our large survey of patients with ABS shows that individuals with an ABS-like phenotype and normal steroidogenesis have FGFR mutations, whereas those with ambiguous genitalia and disordered steroidogenesis should be recognized as having a distinct new disease: POR deficiency.

Regulation of 17,20 lyase activity by cytochrome b5 and by serine phosphorylation of P450c17

Cytochrome P450c17 catalyzes the 17alpha-hydroxylase activity required for glucocorticoid synthesis and the 17,20 lyase activity required for sex steroid synthesis. Most P450 enzymes have fixed ratios of their various activities, but the ratio of these two activities of P450c17 is regulated post-translationally. We have shown that serine phosphorylation of P450c17 and the allosteric action of cytochrome b5 increase 17,20 lyase activity, but it has not been apparent whether these two post-translational mechanisms interact. Using purified enzyme systems, we now show that the actions of cytochrome b5 are independent of the state of P450c17 phosphorylation. Suppressing cytochrome b5 expression in human adrenal NCI-H295A cells by >85% with RNA interference had no effect on 17alpha-hydroxylase activity but reduced 17,20 lyase activity by 30%. Increasing P450c17 phosphorylation could compensate for this reduced activity. When expressed in bacteria, human P450c17 required either cytochrome b5 or phosphorylation for 17,20 lyase activity. The combination of cytochrome b5 and phosphorylation was not additive. Cytochrome b5 and phosphorylation enhance 17,20 lyase activity independently of each other, probably by increasing the interaction between P450c17 and NADPH-cytochrome P450 oxidoreductase.

P450 oxidoreductase deficiency: a new disorder of steroidogenesis affecting all microsomal P450 enzymes

Combined partial deficiency of 17alpha-hydroxylase and 21-hydroxylase activities was first described in 1985; however the genes for P450c17 and P450c21 in these patients lack mutations. In 1986 we postulated that this disorder might be due to mutations in P450 oxidoreductase (POR), the flavoprotein that donates electron to these and all other microsomal P450 enzymes, but this hypothesis was not tested until the POR gene sequence became available through the genome database. We found five POR missense mutations in our first four patients. In vitro assays of the activities of these mutations showed that the standard assay of POR activity, reduction of cytochrome c, correlated poorly with the patients' phenotypes, but that assays of POR-supported 17alpha-hydroxylase and 17,20 lyase activities correlated well. POR deficiency is a new disorder of adrenal and gonadal steroidogenesis that affects all microsomal cytochrome P450 enzymes, hence may have important implications for genetic differences in drug metabolism.

Mutant P450 oxidoreductase causes disordered steroidogenesis with and without Antley-Bixler syndrome

Deficient activities of multiple steroidogenic enzymes have been reported without and with Antley-Bixler syndrome (ABS), but mutations of corresponding cytochrome P450 enzymes have not been found. We identified mutations in POR, encoding P450 oxidoreductase, the obligate electron donor for these enzymes, in a woman with amenorrhea and three children with ABS, even though knock-out of POR is embryonically lethal in mice. Mutations of POR also affect drug-metabolizing P450 enzymes, explaining the association of ABS with maternal fluconazole ingestion.