Molecular Modeling on Inhibitor Complexes and Active-Site Dynamics of Cytochrome P450 C17, a Target for Prostate Cancer Therapy

A molecular model for the P450 enzyme cytochrome P450 C17 (CYP17) is presented based on sequence alignments of multiple template structures and homology modeling. This enzyme plays a central role in the biosynthesis of testosterone and is emerging as a major target in prostate cancer, with the recently developed inhibitor abiraterone currently in advanced clinical trials. The model is described in detail, together with its validation, by providing structural explanations to available site-directed mutagenesis data. The CYP17 molecule in this model is in the form of a triangular prism, with an edge of similar to 55 angstrom and a thickness of similar to 37 angstrom. It is predominantly helical, comprising 13 alpha helices interspersed by six 3(10) helices and 11 beta-sheets. Multinanosecond molecular dynamics simulations in explicit solvent have been carried out, and principal components analysis has been used to reveal the details of dynamics around the active site. Coarse-grained methods have also been used to verify low-frequency motions, which have been correlated with active-site gating. The work also describes the results of docking synthetic inhibitors, including the drug abiraterone and the natural substrate pregnenolone, in the CYP17 active site together with molecular dynamics simulations on the complexes. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Effect of single nucleotide polymorphisms in cytochrome P450 isoenzyme and N-acetyltransferase 2 genes on the metabolism of artemisinin-based combination therapies in malaria patients from Cambodia and Tanzania.

The pharmacogenetics of antimalarial agents are poorly known, although the application of pharmacogenetics might be critical in optimizing treatment. This population pharmacokinetic-pharmacogenetic study aimed at assessing the effects of single nucleotide polymorphisms (SNPs) in cytochrome P450 isoenzyme genes (CYP, namely, CYP2A6, CYP2B6, CYP2C8, CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6, CYP3A4, and CYP3A5) and the N-acetyltransferase 2 gene (NAT2) on the pharmacokinetics of artemisinin-based combination therapies in 150 Tanzanian patients treated with artemether-lumefantrine, 64 Cambodian patients treated with artesunate-mefloquine, and 61 Cambodian patients treated with dihydroartemisinin-piperaquine. The frequency of SNPs varied with the enzyme and the population. Higher frequencies of mutant alleles were found in Cambodians than Tanzanians for CYP2C9*3, CYP2D6*10 (100C → T), CYP3A5*3, NAT2*6, and NAT2*7. In contrast, higher frequencies of mutant alleles were found in Tanzanians for CYP2D6*17 (1023C → T and 2850C → T), CYP3A4*1B, NAT2*5, and NAT2*14. For 8 SNPs, no significant differences in frequencies were observed. In the genetic-based population pharmacokinetic analyses, none of the SNPs improved model fit. This suggests that pharmacogenetic data need not be included in appropriate first-line treatments with the current artemisinin derivatives and quinolines for uncomplicated malaria in specific populations. However, it cannot be ruled out that our results represent isolated findings, and therefore more studies in different populations, ideally with the same artemisinin-based combination therapies, are needed to evaluate the influence of pharmacogenetic factors on the clearance of antimalarials.

Synthesis of cytochrome P450 inhibitors of vitamin E metabolism

Please consult the paper edition of this thesis to read. It is available on the 5th Floor of the Library at Call Number: Z 9999 C54 O46 2007

Modulation du cytochrome P450 dans un modèle murin d'insuffisance rénale chronique

Introduction : Les modèles murins sont grandement utilisés dans l’étude des maladies rénales et des pathologies associées. La concentration de la créatinine sérique est un bon indicateur de la filtration glomérulaire et en présence d’insuffisance rénale chronique (IRC), les concentrations de créatinine sérique (et la clairance) reflètent la sévérité de l’IRC. De plus, il a été démontré que l’IRC modifie le métabolisme des médicaments en diminuant l’activité et l’expression des enzymes hépatiques du cytochrome P450 (CYP450). Afin d’étudier la modulation du P450 par l’IRC avec un modèle murin et de confirmer nos résultats chez le rat, nous devons 1) développer un modèle d’IRC chez la souris, 2) mettre au point une technique de dosage des marqueurs de l’IRC et, 3) évaluer l’expression protéique du CYP450 en présence IRC. Matériel et Méthode : Trois modèles chirurgicaux d’IRC chez la souris ont été développés. Une méthode du dosage de la créatinine par chromatographie liquide à haute performance (CLHP) a été mise au point chez la souris et l’expression protéique du P450 a été mesurée par immunobuvardage de type Western. Résultats : Plusieurs paramètres de CLHP comme le pH, la concentration et le débit de la phase mobile modifient le pic d’élution et le temps de rétention de la créatinine. Concernant le modèle expérimental, on observe une perte de poids et une augmentation de la concentration plasmatique de la créatinine chez les souris avec une IRC. De plus, l’expression protéique de plusieurs isoformes du cytochrome P450 est modulée par l’IRC. Nous observons une diminution du CYP 2D de 42% (p < 0,01), du CYP 3A11 de 60% et du CYP 1A de 37% (p <0,01) par rapport aux souris témoins. On ne dénote aucun changement significatif au niveau de l’isoforme 2E1. Conclusion : Il est possible d’induire une insuffisance rénale chronique chez la souris suite à une néphrectomie. La technique de dosage de la créatinine par CLHP est précise et exacte et permet de caractériser la sévérité de l’IRC chez la souris. L’expression protéique du CYP450 est régulée à la baisse dans le foie des souris atteintes d’IRC.

Influence du chondroïtine sulfate (CS) sur l’activité et l’expression de plusieurs isoformes du cytochrome P450 et de la NADPH P450 réductase

Le CS fait partie de la famille des SYSADOA (SYmptomatic Slow Acting Drugs for OsteoArthritis) et est utilisé par les patients avec de l’ostéoarthrose de façon chronique pour ses propriétés anti-inflammatoires. Étant donné que ces patients reçoivent d’autres médicaments, il était intéressant de documenter les effets du CS sur le cytochrome P450 et la NADPH-réductase (NADPH). Pour cette étude, deux modèles ont été utilisés: des lapins témoins (LT) et des lapins avec une réaction inflammatoire (LRI) afin de diminuer l’activité et l’expression du CYP. Six groupes contenant chacun cinq lapins ont été utilisés: un groupe sans CS et deux groupes qui ont pris oralement dans l’eau approximativement 20.5 mg/kg/jour de CS pendant 20 et 30 jours; les lapins des trois groupes restants ont pris du CS comme décrit plus haut, mais ont reçu 5 ml sous-cutanées de térébenthine afin de produire une réaction inflammatoire aseptique (RIA) deux jours avant leur sacrifice, c’est-à-dire aux jours -2, 18 et 28. Les hépatocytes ont été isolés pour évaluer l’activité et l’expression du CYP3A6, CYP1A2 et NADPH et aussi le ARNm de ces protéines. In vitro, nous avons étudié l’effet de différentes concentrations de CS-disaccharides sulfatés, 4S, 6S, et 4,6S de CS, sur l’activité et l’expression du CYP1A2 et du CYP3A6. Pour documenter la présence de la réaction inflammatoire, nous avons mesure les mucoprotéines, dans le sérum des lapins avec une réaction inflammatoire. Aussi nous avons mesuré la présence de l’oxide nitrique (NO) chez les hépatocytes de lapins contrôles et chez les hépatocytes des lapins avec une réaction inflammatoire. La translocation nucléaire du NF-κB a été etudiée par fluorescence chez les hépatocytes. Par comparaison aux lapins témoins, l’administration du CS pendant 20 et 30 jours n’affecte pas l’activité du CYP3A6 et du CYP1A2. La RIA a augmenté les mucoprotéines à 95,1±5,7 vs 8,4±1,6 mg/dl dans les lapins témoins (p<0,05). La RIA a diminué l’activité du CYP3A6 de 62% et l’activité du CYP 1A2 de 54%. Le CS n’empêché pas la diminution du CYP1A2 produite par la RIA. Par ailleurs, le CS n’affecte pas l’activité ni l’expression de la NADPH. La translocation nucléaire de NF-κB a été empêche par l’administration chronique de CS aux lapins avec RIA; en plus, la concentration de l’oxide nitrique n’a pas démontré une augmentation en présence de CS; par contre, CS n’empêche pas l’augmentation des séromucoïdes. Au contraire, CS affecte la diminution du CYP3A6 en fonction de temps et secondaire à la RIA. Dans ce group, CS a rétabli le niveau des protéines du CYP3A6 observé dans le group de lapins témoins. Pourtant cette croissance été independante de mRNA qui garde un niveau trés bas. Le plus remarcable a été la manière dont CS a augmenté la protéine du CYP3A6, sans avoir rétabli l’activité de cet isoforme. Finalement, in vitro, CS et ses trois disaccharides sulfatés (4S, 6S et 4,6S) n’affectent ni l’activité ni l’expression de CYP1A2, CYP3A6 et de la NADPH. En conclusion, l’administration chronique de CS n’affecte pas l’activité ni l’expression du CYP1A2, ou la diminution du CYP1A2 produite par la réaction inflammatoire. Le CS n’affecte pas l’activité ni l’expression du NADPH. Cependant, CS empêche la diminution du CYP3A6 en fonction de temps et secondaire à la RIA.

Modulation du cytochrome P450 par l’insuffisance rénale chronique dans un modèle murin transgénique

L’insuffisance rénale chronique (IRC) est associée à une diminution de la clairance métabolique des médicaments résultant en partie de l’inhibition des cytochromes P450 (CYP450) et des enzymes de phase II, notamment la N-acétyltransférase 2 (NAT2), tel que démontré chez le rat. Nous avons précédemment démontré le rôle de l'hormone parathyroïdienne (PTH) dans la diminution des CYP450 hépatiques chez le rat souffrant d’IRC. Toutefois, l’étude des mécanismes sous-jacents pouvant être facilitée par l’utilisation de souris transgéniques, l’objectif de cette étude consiste à confirmer ces résultats dans un modèle murin. D’abord, afin de valider ce modèle expérimental, une IRC a été induite par néphrectomie subtotale 3/4 chez des souris C57BL/6, puis l’expression protéique et génique des CYP450 et de la Nat2 hépatiques a été étudiée. Les résultats indiquent que l’IRC induit effectivement une diminution d’expression de ces enzymes dans un modèle murin. Ensuite, des souris mutantes pour le gène codant la PTH (PTH-/-) et les souris correspondantes de type sauvage (PTH+/+) ont été néphrectomisées, puis l’expression protéique et génique des CYP450 hépatiques a été analysée. Si la PTH est responsable de la diminution du CYP450 en situation d’IRC, les souris PTH-/- atteintes d’IRC ne devraient présenter aucune baisse d’expression. Les résultats obtenus pour les souris PTH-/- ne peuvent être interprétés, puisque chez les souris PTH+/+ atteintes d'IRC, le CYP450 hépatique est inchangé par rapport aux souris PTH+/+ témoins. Des expériences supplémentaires seront requises afin de déterminer si la régulation à la baisse du CYP450 précédemment observée est contrecarrée par l’absence de PTH.

Effet de l’insuffisance rénale chronique sur les enzymes du cytochrome P450 dans le cerveau de rat

Introduction: Nous avons déjà montré que l’insuffisance rénale chronique (IRC) entraîne une régulation négative du cytochrome P450 (CYP450) dans le foie et l’intestin de rat. La présente étude cherche à déterminer l’effet de l’IRC sur l’expression des enzymes du CYP450 dans le cerveau de rat. L’expression génique, protéique ainsi que l’activité des isoenzymes du CYP450 ont été analysées dans différentes régions du cerveau (hippocampe, cervelet, cortex et parenchyme cérébral) afin de déterminer l’effet de l’insuffisance rénale chronique sur le métabolisme cérébral des médicaments par le CYP450. Méthodes: Le cerveau entier de rats atteints d’IRC (induite par une néphrectomie sub-totale 5/6) et de rats témoins (laparotomie blanche) a été disséqué en 4 parties (cortex, cervelet, hippocampe et parenchyme cérébral). L’expression protéique et celle de l’ARNm des isoformes 1A, 2C11, 2D, 3A et 4A du cytochrome P450 a été étudiée respectivement par immunobuvardage de type Western et PCR en Temps Réel. L’activité du CYP3A a été mesurée par le métabolisme du DFB en DFH sur des préparations de microsomes de cerveau. Une technique de culture cellulaire d’astrocytes a été mise au point et a permis d’évaluer l’expression des enzymes dans ces cellules suite à l’incubation des astrocytes avec le sérum de rats atteints d’insuffisance rénale chronique. Résultats: Chez les rats atteints d’IRC, les niveaux géniques de CYP1A, 2C et 3A sont diminués d’au moins 40% (p < 0,05) dans presque toutes les parties étudiées. Les niveaux d’ARNm du CYP2D demeurent inchangés. De plus, une diminution significative d’au moins 45% (p < 0,05) de l’expression protéique des CYP1A, 2C et 3A est observée dans presque toutes les structures étudiées. L’activité enzymatique de CYP3A est diminuée significativement dans le cerveau de rats IRC, ainsi que l’expression des enzymes du CYP2C11 dans les astrocytes en culture lorsqu’incubés avec du sérum de rat urémique. Conclusions: Ces études démontrent que le cerveau est également affecté par l’IRC. Ceci se traduit par une diminution de l’expression protéique, génique, ainsi que de l’activité des enzymes du CYP450. Cette diminution pourrait expliquer une augmentation des effets secondaires dans le système nerveux central en IRC.

Novel Application of 2D and 3D-Similarity Searches To Identify Substrates among Cytochrome P450 2C9, 2D6, and 3A4

Cytochrome P450 (CYP450) is a class of enzymes where the substrate identification is particularly important to know. It would help medicinal chemists to design drugs with lower side effects due to drug-drug interactions and to extensive genetic polymorphism. Herein, we discuss the application of the 2D and 3D-similarity searches in identifying reference Structures with higher capacity to retrieve Substrates of three important CYP enzymes (CYP2C9, CYP2D6, and CYP3A4). On the basis of the complementarities of multiple reference structures selected by different similarity search methods, we proposed the fusion of their individual Tanimoto scores into a consensus Tanimoto score (T(consensus)). Using this new score, true positive rates of 63% (CYP2C9) and 81% (CYP2D6) were achieved with false positive rates of 4% for the CYP2C9-CYP2D6 data Set. Extended similarity searches were carried out oil a validation data set, and the results showed that by using the T(consensus) score, not only the area of a ROC graph increased, but also more substrates were recovered at the beginning of a ranked list.

Microarray analysis of cytochrome P450 mediated insecticide resistance in Drosophila

Insecticide resistance in laboratory selected Drosophila strains has been associated with upregulation of a range of different cytochrome P450s, however in recent field isolates of D. melanogaster resistance to DDT and other compounds is conferred by one P450 gene, Cyp6g1. Using microarray analysis of all Drosophila P450 genes, here we show that different P450 genes such as Cyp12d1 and Cyp6a8 can also be selected using DDT in the laboratory. We also show, however, that a homolog of Cyp6g1 is over-expressed in a field resistant strain of D. simulans. In order to determine why Cyp6g1 is so widely selected in the field we examine the pattern of cross-resistance of both resistant strains and transgenic flies over-expressing Cyp6g1 alone. We show that all three DDT selected P450s can confer resistance to the neonicotinoid imidacloprid but that Cyp6a8 confers no cross-resistance to malathion. Transgenic flies over-expressing Cyp6g1 also show cross-resistance to other neonicotinoids such as acetamiprid and nitenpyram. We suggest that the broad level of cross-resistance shown by Cyp6g1 may have facilitated its selection as a resistance gene in natural Drosophila populations. (C) 2003 Elsevier B.V. Ltd. All rights reserved.

Cellular localization of androgen synthesis in equine granulosa-theca cell tumors: Immunohistochemical expression of 17α-hydroxylase/17,20-lyase cytochrome P450

Elevated blood testosterone concentrations, often accompanied by male-typical behaviors, is a common signalment of mares with granulosa-theca cell tumors (GCTCs), but no definitive information exists regarding the cellular differentiation of tumors associated with androgen secretion. This study was conducted to localize and thereby define the cellular expression of 17α-hydroxylase/17,20-lyase cytochrome P450 (P450c17), the enzyme most directly responsible for androgen synthesis, in 30 GTCTs and control tissues (gonads and adrenal glands) using immuno-histochemistry (IHC). Immuno-reactivity for P450c17 was evident in approximately half of 30 specimens examined, was most consistent in the interstitial cells surrounding existing or developing cysts, and was less intense in cells within cysts in the smaller proportion of specimens where this was observed. In control tissues, the expression of P450c17 was localized primarily in theca interna of normal ovarian follicles, in theca-lutein cells of some corpora lutea, but not in granulosa-lutein cells. Testicular interstitial cells and islands of adreno-cortical cells located in the adrenal medulla of the adrenal cortex further established the specificity of the antisera used. These data provided the first substantive evidence that polyhedral cells identified previously in GTCTs by histopathology have the potential to synthesize and secrete androgens, similar to theca interna and theca lutein cells in normal equine ovaries. © 2010 Elsevier Inc.

E2 potentializes benzo(a)pyrene-induced hepatic cytochrome P450 enzyme activities in Nile tilapia at high concentrations

In the aquatic environment, biotransformation enzymes are established biomarkers for assessing PAH exposure in fish, but little is known about the effect of 17β-estradiol (E2) on these enzymes during exposure to benzo(a)pyrene (BaP). In this study, Nile tilapia (Oreochromis niloticus) were exposed for 3, 5, and 10 days to BaP (300 μg L(-1)) and E2 (5 μg L(-1)). These substances were applied isolated or mixed. In the mixture experiment, fish were analyzed pre- and postexposure in order to better understand whether preexposure to the hormone masks the responses activated by PAH or vice versa. Phase I enzymes ethoxyresorufin-O-deethylase (EROD), pentoxyresorufin-O-depenthylase (PROD), and benzyloxyresorufin-O-debenzylase (BROD) activities as well as the phase II enzyme glutathione S-transferase (GST) were analyzed. Isolated E2 treatment decreased EROD activity after 3 days, but this enzyme activity returned to control values after 5 and 10 days of exposure. Isolated BaP treatment significantly induced EROD activity after 3 and 5 days, and the activity returned to control levels after ten exposure days. Combined treatment (E2 + Bap) significantly increased EROD activity, both in the pre- and postexposure. This increase was even higher than in the isolated BaP treatment, suggesting a synergism between these two compounds. When E2 and BaP were used singly, they did not change BROD and PROD activities. However, combined treatment (E2 + Bap) significantly increased PROD activity. Isolated BaP treatment increased GST activity after 10 days. However, this response was not observed in the mixture treatment, suggesting that E2 suppressed the GST induction modulated by BaP. The results put together indicated that E2 altered the biotransformation pathway regarding enzymes activated by BaP in Nile tilapia.

Metalloporphyrins as cytochrome P450 models for chlorhexidine metabolite prediction

The catalytic oxidation of chlorhexidine (CHX, a strong microbicidal agent) mediated by ironporphyrins has been investigated by using hydrogen peroxide, mCPBA, tBuOOH, or NaOCl as oxidant. All of these oxygen donors yielded p-chloroaniline (pCA) as the main product. The higher pCA yields amounted to 71% in the following conditions: catalyst/oxidant/substrate molar ratio of 1:150:50, aqueous medium, FeTMPyP as catalyst. The medium pH also had a strong effect on the pCA yields; in physiological pH, formation of this product was specially favored in the presence of the catalysts, with yields 58% higher than those achieved in control reactions. This provided strong evidence that CHX is metabolized to pCA upon ingestion. (c) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Restoration of mutant cytochrome P450 reductase activity by external flavin

Cytochrome P450 oxidoreductase (POR) supplies electrons from NADPH to steroid and drug metabolizing reactions catalyzed by the cytochrome P450s located in endoplasmic reticulum. Mutations in human POR cause a wide spectrum of disease ranging from disordered steroidogenesis to sexual differentiation. Previously we and others have shown that POR mutations can lead to reduced activities of steroidogenic P450s CYP17A1, CYP19A1 and CYP21A1. Here we are reporting that mutations in the FMN binding domain of POR may reduce CYP3A4 activity, potentially influencing drug and steroid metabolism; and the loss of CYP3A4 activity may be correlated to the reduction of cytochrome b(5) by POR. Computational molecular docking experiments with a FMN free structural model of POR revealed that an external FMN could be docked in close proximity to the FAD moiety and receive electrons donated by NADPH. Using FMN supplemented assays we have demonstrated restoration of the defective POR activity in vitro.