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.

Polimorfismos dos genes do citocromo P450, da glutationa S-transferase e do supressor de tumor TP53 em populações sul-americanas e em pacientes com doença pulmonar obstrutiva crônica e câncer de pulmão

Resumo não disponível

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.

Construction and application of an electrochemical sensor for paracetamol determination based on iron tetrapyridinoporphyrazine as a biomimetic catalyst of P450 enzyme

This work describes the construction and application of a biomimetic sensor for paracetamol determination in different samples. The sensor was prepared by modifying a glassy carbon electrode surface with a Nafion (R) membrane doped with FeTPyPz. The best performance of the sensor in 0.1 mol L-1 acetate buffer was at pH 3.6. Under these conditions, an oxidation potential of paracetamol was observed at 445 mV vs. Ag vertical bar AgCl. The sensor presented a linear response range between 4.0 and 420 mu mol L-1, a sensitivity of 46.015 mA L mol(-1) cm(-2), quantification and detection limits of 4.0 mu mol L-1 and 1.2 mu mol L-1, respectively. A detailed investigation about its electrochemical behavior and selectivity was carried out. The results suggested that FeTPyPz presents catalytic properties similar to P450 enzyme for paracetamol oxidation. Finally, the sensor was applied for paracetamol determination in commercial drugs and for the monitoring of its degradation in an electrochemical batch reactor effluent.

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.

Sensor for diuron quantitation based on the P450 biomimetic catalyst nickel(II) 1,4,8,11,15,18,22,25-octabutoxy-29H,31H-phthalocyanine

A biomimetic sensor based on a carbon paste electrode modified with the nickel(II) 1,4,8,11,15,18,22,25-octabutoxy-29H,31H-phthalocyanine complex was developed as a reliable alternative technique for the sensitive and selective analysis of the herbicide diuron in environmental media. The sensor was evaluated using cyclic voltammetry and amperometric techniques. The best amperometric responses were obtained at 750 mV vs. Ag/AgCl (KClsat), using 0.1 mol L-1 phosphate buffer solution at pH 8.0. Under these conditions, the sensor showed a linear response for diuron concentrations between 9.9 × 10-6 and 1.5 × 10-4 mol L -1, a sensitivity of 22817 (±261) μA L mol-1, and detection and quantification limits of 6.14 × 10-6 and 2 × 10-5 mol L-1, respectively. The presence of the nickel complex in the carbon paste improved selectivity, stability, and sensitivity (which increased 700%), compared to unmodified paste. The applicability of the sensor was demonstrated using enriched environmental samples (river water and soil). © 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

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.

Etablierung von Expressionsystemen für Gene der Indolalkaloid-Biosynthese unter besonderer Berücksichtigung von Cytochrom P450-Enzymen

Etablierung von Expressionsystemen für Gene der Indolalkaloid-Biosynthese unter besonderer Berücksichtigung von Cytochrom P450-Enzymen In der vorliegenden Arbeit wurden Enzyme aus der Arzneipflanze Rauvolfia serpentina bearbeitet. Es wurde versucht, das an der Biosynthese des Alkaloids Ajmalin beteiligte Cytochrom P450-Enzym Vinorin-Hydroxylase heterolog und funktionell zu exprimieren. Ein zunächst unvollständiger, unbekannter Cytochrom P450-Klon konnte komplettiert und eindeutig mittels heterologer Expression in sf9-Insektenzellen als Cinnamoyl-Hydroxylase identifiziert werden. Die Tauglichkeit des Insektenzellsystems für die Untersuchung der Vinorin-Hydroxylase ist auf Grund der deacetylierenden Wirkung der Insektenzellen auf das Substrat Vinorin nicht gegeben. Im Rahmen des Homology Cloning Projektes konnten mehrere Volllängenklone und diverse Teilsequenzen von neuen Cytochrom P450-Klonen ermittelt werden. Ausserdem wurde durch das unspezifische Binden eines degenerierten Primers ein zusätzlicher Klon gefunden, der der Gruppe der löslichen Reduktasen zugeordnet werden konnte. Diese putative Reduktase wurde auf die Aktivität von mehreren Schlüsselenzymen der Ajmalin-Biosynthese durch heterologe Expression in E.coli und anschliessende HPLC-gestützte Aktivitätstests ohne Erfolg geprüft. Bedingt durch die Untauglichkeit des Insektenzellsystems für die Identifizierung der Vinorin-Hydroxylase, wurde ein neuartiges Modul-gestütztes, pflanzliches Expressionsystem etabliert, um vorhandene P450-Volllängenklone auf Vinorin- Hydroxylaseaktivität testen zu können. Die Funktionalität des Systems konnte durch die heterologe Expression der Polyneuridinaldehyd Esterase bestätigt werden. Trotzdem war es bis jetzt nicht möglich, die Cinnamoyl-Hydroxylase als Kontrollenzym für das pflanzliche System oder aber die gesuchte Vinorin- Hydroxylase in aktiver Form zu exprimieren.

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

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.

Enantioselective capillary electrophoresis for identification and characterization of human cytochrome P450 enzymes which metabolize ketamine and norketamine in vitro

Ketamine, a phencyclidine derivative, is used for induction of anesthesia, as an anesthetic drug for short term surgical interventions and in subanesthetic doses for postoperative pain relief. Ketamine undergoes extensive hepatic first-pass metabolism. Enantioselective capillary electrophoresis with multiple isomer sulfated -cyclodextrin as chiral selector was used to identify cytochrome P450 enzymes involved in hepatic ketamine and norketamine biotransformation in vitro. The N-demethylation of ketamine to norketamine and subsequently the biotransformation of norketamine to other metabolites were studied via analysis of alkaline extracts of in vitro incubations of racemic ketamine and racemic norketamine with nine recombinantly expressed human cytochrome P450 enzymes and human liver microsomes. Norketamine was formed by CYP3A4, CYP2C19, CYP2B6, CYP2A6, CYP2D6 and CYP2C9, whereas CYP2B6 and CYP2A6 were identified to be the only enzymes which enable the hydroxylation of norketamine. The latter two enzymes produced metabolic patterns similar to those found in incubations with human liver microsomes. The kinetic data of ketamine N-demethylation with CYP3A4 and CYP2B6 were best described with the Michaelis-Menten model and the Hill equation, respectively. This is the first study elucidating the individual enzymes responsible for hydroxylation of norketamine. The obtained data suggest that in vitro biotransformation of ketamine and norketamine is stereoselective.