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.

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.

Serumfreie Collagen-Monolayer- und Sandwich-Kulturen primärer Hepatozyten als ein wertvolles Modell zur Detektion von Toxizität und Arzneimittelwechselwirkungen in vitro

In dieser Arbeit wurden Zellkulturen primärer Hepatozyten von Ratte und Mensch hinsichtlich ihrer Eignung untersucht Speziesunterschiede der toxischen Wirkung und des Metabolismus von Substanzen darzustellen und inwieweit die in vitro-Ergebnisse in vivo vergleichbar bzw. übertragbar sind. Des Weiteren wurde ein Zellkulturmodell entwickelt, das eine Kultivierung von primären Hepatozyten aus Ratte, Mensch und Maus über einen Zeitraum von mindestens einer bis zwei Wochen erlaubt.rnrnDie Zellkulturen primärer Hepatozyten von Ratte und Mensch zeigten deutliche Unterschiede in der substanzinduzierten Veränderung der Genexpression nach Behandlung mit den, vor allem für den Menschen, lebertoxischen Substanzen Diclofenac und Troglitazon. Diese Unterschiede traten hauptsächlich in der Induktion fremdstoffmetabolisierender Enzyme sowie deren transkriptionsregulierenden Kernrezeptoren in den humanen Hepatozyten auf. Ebenso war eine verstärkte Stressantwort zu beobachten.rnDeutliche Speziesunterschiede konnten ebenso in der Wirkung der Arzneimittelentwicklungssubstanz EMD 392949 auf die Aktivität bzw. Genexpression von Cytochrom P450 Enzymen sowie deren Regulatoren nachgewiesen werden. Des Weiteren konnte hier eine sehr gute Übereinstimmung der Ergebnisse aus den Zellkulturen primärer Ratten- bzw. Humanhepatozyten mit jenen aus in vivo-Experimenten mit Ratten bzw. Affen (Macaca fascicularis) beobachtet werden, was die Aussagekraft der Primärkulturen verdeutlichte.rnDie große Übereinstimmung zwischen Enzymaktivität und Genexpression in der Induktion fremdstoffmetabolisierender Enzyme konnte durch die Behandlung mit einer Reihe speziesspezifischer Induktoren in Zellkulturen primärer Ratten- bzw. Humanhepatozyten bestätigt werden; vor allem nach dem von der amerikanischen Arzneimittelzulassungsbehörde (FDA, Food and Drug Administartion) vorgeschlagenen Bewertungsschema zur Untersuchung der CYP-Induktion.rnrnDie Lebensdauer sowie der Differenzierungsgrad von primären Hepatozyten in Kultur sind stark abhängig von den Zellkulturbedingungen. Durch diese Arbeit konnte gezeigt werden, dass spezifische Eigenschaften von Rattenleberzellen durch Kultivierung in einem Sandwich aus zwei hydratisierten Collagengelschichten und unter serumfreien Bedingungen für einen Zeitraum von mindestens zwei Wochen aufrechterhalten werden können. Dieses Kulturmodel konnte auf Primärhepatozyten von Mensch und Maus übertragen werden und erweitert die möglichen Anwendungen hin zu einer Behandlung über einen längeren Zeitraum und der Untersuchung von subchronischen Effekten.rn

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

In vivo and in vitro investigation of the tissue-specific activity of the human CYP3A4 and CYP3A5 promoters

The human cytochrome P450 3A4 (CYP3A4), the predominant but variably expressed cytochrome P450 in adult liver and small intestine is involved in the metabolism of over 50% of currently used drugs. Its paralog CYP3A5 plays a crucial role in the disposition of several drugs with low therapeutic index, including tacrolimus. Limited information is available for the CYP3A5 transcriptional regulation and its induction by xenobiotics remains controversial. In the first part of this study, we analysed the CYP3A5 transcriptional regulation and its induction by xenobiotics in vivo using transgenic mice. To this end, two transgenic strains were established by pronuclear injection of a plasmid, expressing firefly luciferase driven by a 6.2 kb of the human CYP3A5 promoter. A detailed analysis of both strains shows a tissue distribution largely reflecting that of CYP3A5 transcripts in humans. Thus, the highest luciferase activity was detected in the small intestine, followed by oesophagus, testis, lung, adrenal gland, ovary, prostate and kidney. However, no activity was observed in the liver. CYP3A5-luc transgenic mice were similarly induced in both sexes with either PCN or TCPOBOP in small intestine in a dose-dependent manner. Thus, the 6.2 kb upstream promoter of CYP3A5 mediates the broad tissue activity in transgenic mice. CYP3A5 promoter is inducible in the small intestine in vivo, which may contribute to the variable expression of CYP3A in this organ. rnThe hepato-intestinal level of the detoxifying oxidases CYP3A4 and CYP3A5 is adjusted to the xenobiotic exposure mainly via the xenosensor and transcriptional factor PXR. CYP3A5 is additionally expressed in several other organs lacking PXR, including kidney. In the second part of this study, we investigated the mechanism of the differential expression of CYP3A5 and CYP3A4 and its evolutionary origin using renal and intestinal cells, and comparative genomics. For this examination, we established a two-cell line models reflecting the expression relationships of CYP3A4 and CYP3A5 in the kidney and small intestine in vivo. Our data demonstrate that the CYP3A5 expression in renal cells was enabled by the loss of a suppressing Yin Yang 1 (YY1)-binding site from the CYP3A5 promoter. This allowed for a renal CYP3A5 expression in a PXR-independent manner. The YY1 element is retained in the CYP3A4 gene, leading to its suppression, perhaps via interference with the NF1 activity in renal cells. In intestinal cells, the inhibition of CYP3A4 expression by YY1 is abrogated by a combined activating effect of PXR and NF1 acting on their respective response elements located adjacent to the YY1-binding site on CYP3A4 proximal promoter. CYP3A4 expression is further facilitated by a point mutation attenuating the suppressing effect of YY1 binding site. The differential expression of CYP3A4 and CYP3A5 in these organs results from the loss of the YY1 binding element from the CYP3A5 promoter, acting in concert with the differential organ expression of PXR, and with the higher accumulation of PXR response elements in CYP3A4. rn

Unmittelbare, dauerhafte sowie evolutionäre Anpassung an Fremdstoffexpositionen

Eine der Hauptursachen für unerwünschte oder reduzierte Wirkungen von Medikamenten ist die Induktion von Enzymen und Transportern des Medikamentenstoffwechsels. Diese Induktion stellt ursprünglich eine physiologische Reaktion auf die Aufnahme von potentiell schädlichen Fremdstoffen aus der Umwelt dar und sichert so die Gesundheit und Fortpflanzungsfähigkeit von Lebewesen. Beim Menschen sowie anderen Säugetieren werden Fremdstoffe hauptsächlich von den nukleären Rezeptoren PXR und CAR in der Leber und im Dünndarm detektiert. Zu den Medikamenten, welche über PXR und CAR wirken, gehören unter anderem Antikonvulsiva, Statine, antiretrovirale Medikamente, Glucocorticoide sowie Antimykotika. Die durch Fremdstoffe aktivierten Transkriptionsfaktoren PXR und CAR steigern die Menge der Enzyme und Transporter des Fremdstoffmetabolismus. Hierzu zählen vor allem die Cytochrom P450-Enzyme (Cyp-Enzyme) mit breitem Substratspektrum oder der Transporter MDR1, welcher eine Vielzahl von Substraten über Membranen transportiert. Durch die Biotransformation werden die induzierenden, lipophilen Substanzen so modifiziert, dass sie leichter über den Urin oder die Galle ausgeschieden werden können. \r\nDie Dauer der Induktion sollte auf die Zeit der Fremdstoffexposition beschränkt sein, um Störungen des endogenen Stoffwechsels zu vermindern. In dieser Arbeit werden jedoch Hinweise auf dauerhafte und sogar generationsübergreifende Effekte von Medikamenten in Mäusen geliefert. Nachkommen von Müttern, welche bereits vor ihrer Verpaarung einmalig mit TCPOBOP, einem Liganden des murinen CAR, injiziert wurden, hatten eine ungefähr 100-fach gesteigerte Genexpression von Cyp2b10. Auch gab es Expressionsänderungen von Genen, deren Produkte eine Rolle im Lipidstoffwechsel sowie bei Immunkrankheiten spielen. Eine Hochdurchsatz-RNA-Sequenzierung der injizierten Elterngeneration ergab außerdem dauerhafte Expressionsveränderungen anderer Gene des Medikamentenstoffwechsels sowie von Genen mit Verbindung zum Energiemetabolismus. \r\nBerücksichtigt man die enge evolutionäre Verwandtschaft der nukleären Rezeptoren CAR und PXR, sind Langzeitveränderungen auch für PXR möglich und wurden im Verlauf dieser Arbeit ebenfalls untersucht. Eine Hochdurchsatz-Sequenzierung ergab für Mäuse, welche mit dem PXR-Aktivator PCN induziert wurden, dass selbst noch drei Monate nach der Exposition Gene verändert exprimiert waren, welche im Zusammenhang mit Lebernekrosen stehen. Bei Nachkommen von PCN-injizierten Müttern wurden Gene unterschiedlich exprimiert, welche eine Rolle bei der Energiehomöostase sowie im Glukosestoffwechsel spielen. Im Erwachsenenalter sind bei diesen Nachkommen darüber hinaus noch Gene unterschiedlich exprimiert, deren Produkte eine Funktion in der Immunantwort haben. \r\nDa Erwachsene aufgrund ihrer Lebensdauer sowie der absoluten Krankheitshäufigkeit wesentlich öfter Kontakt mit Fremdstoffen haben, war medizinisch von besonderem Interesse, ob anhaltende Genexpressionsänderungen auch bei Erwachsenen zu beobachten sind. So konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass auch einmalig exponierte Adulttiere Gene dauerhaft verändert exprimieren und die Veränderungen im Medikamentenstoffwechsel an die nächste Generation übertrugen. \r\n\r\nBisher sind klinische Studien zur Risikobewertung von Medikamenten (Pharmakovigilanz) nicht generationsübergreifend angelegt. Diese Arbeit gibt Anstöße dafür, dass dies in Zukunft für viel mehr Medikamente notwendig werden könnte. Neben Veränderungen im Medikamentenstoffwechsel ergeben sich Nebenwirkungen von PXR- und CAR-Liganden vor allem aus ihrer Beteiligung an endogenen Stoffwechselwegen. Nach Aktivierung von CAR, welcher viele metabolische Stoffwechselwege steuert, treten beispielsweise Störungen des Energiestoffwechsels auf. Ein tieferes Verständnis der Rezeptoraktivität von CAR samt einer gezielten Modulierung seiner Aktivität würde wichtige Beiträge zum Verständnis der Regulation des Fremdstoffmetabolismus sowie der Entstehung von Nebenwirkungen durch eine Behandlung mit CAR-Liganden leisten. Dauerhafte Veränderungen endogener Stoffwechselwege könnten dann möglicherweise über eine pharmakologische Modulierung der CAR-Aktivität reduziert werden. \r\nZu diesem Zweck wurden im Verlauf dieser Arbeit die CAR-Rezeptoren der Amphibien (Xenopus tropicalis, Xenopus laevis) und Reptilien (Anolis carolinensis) erstmals kloniert, als Proteine exprimiert und charakterisiert. Vergleiche zwischen Tierarten ermöglichen ein besseres Verständnis von humanen Proteinen. Funktionelle Analysen ergaben Ähnlichkeiten des Xenopus laevis-CAR mit dem PXR der Säugetiere: eine niedrige basale Aktivität sowie eine starke Induzierbarkeit durch Liganden. In weiteren funktionellen Analysen wurden die Determinanten der basalen Aktivität des Xenopus laevis-CAR untersucht. Die basale Aktivität war nicht abhängig von der subzellulären Lokalisation, sondern ergab sich aus der Proteinstruktur, welche nur beim CAR der Landvertebraten in einer aktiven Konformation fixiert ist. Ähnlich dem PXR der Säugetiere besitzt CAR der Amphibien eine Aktivierungsdomäne, welche erst durch Ligandenbindung in eine aktive Konformation gebracht wird. Mutationen einzelner Aminosäuren zum jeweils humanen Homolog erhöhten die basale Aktivität des Xenopus laevis-CAR auf die des humanen Rezeptors. Diese Mutanten mit erhöhter basalen Aktivität zeigten eine verstärkte Interaktion mit dem Kofaktor PGC-1a, einem Regulator des Energiestoffwechsels bei Säugetieren. Die hepatischen Zielgene des CAR der Amphibien überlappen zum Teil mit den humanen Zielgenen und spielen ebenfalls eine Rolle im Energiestoffwechsel.

ABCB1 and cytochrome P450 genotypes and phenotypes: influence on methadone plasma levels and response to treatment

BACKGROUND AND OBJECTIVE: The in vivo implication of various cytochrome P450 (CYP) isoforms and of P-glycoprotein on methadone kinetics is unclear. We aimed to thoroughly examine the genetic factors influencing methadone kinetics and response to treatment. METHODS: Genotyping for CYP1A2, CYP2B6, CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6, CYP3A4, CYP3A5, ABCB1, and UGT2B7 polymorphisms was performed in 245 patients undergoing methadone maintenance treatment. To assess CYP3A activity, the patients were phenotyped with midazolam. RESULTS: The patients with lower CYP3A activity presented higher steady-state trough (R,S)-methadone plasma levels (4.3, 3.0, and 2.3 ng/mL x mg for low, medium, and high activity, respectively; P = .0002). As previously reported, CYP2B6*6/*6 carriers had significantly higher trough (S)-methadone plasma levels (P = .0001) and a trend toward higher (R)-methadone plasma levels (P = .07). CYP2D6 ultrarapid metabolizers presented lower trough (R,S)-methadone plasma levels compared with the extensive or intermediate metabolizers (2.4 and 3.3 ng/mL x mg, respectively; P = .04), whereas CYP2D6 poor metabolizer status showed no influence. ABCB1 3435TT carriers presented lower trough (R,S)-methadone plasma levels (2.7 and 3.4 ng/mL . mg for 3435TT and 3435CC carriers, respectively; P = .01). The CYP1A2, CYP2C9, CYP2C19, CYP3A5, and UGT2B7 genotypes did not influence methadone plasma levels. Only CYP2B6 displayed a stereoselectivity in its activity. CONCLUSION: In vivo, CYP3A4 and CYP2B6 are the major CYP isoforms involved in methadone metabolism, with CYP2D6 contributing to a minor extent. ABCB1 genetic polymorphisms also contribute slightly to the interindividual variability of methadone kinetics. The genetic polymorphisms of these 4 proteins had no influence on the response to treatment and only a small influence on the dose requirement of methadone.

Expression and activity of the cytochrome P450 2E1 in patients with nonalcoholic steatosis and steatohepatitis

BACKGROUND/AIMS: Nonalcoholic steatohepatitis (NASH) and nonalcoholic fatty liver (NAFL) have a different prognosis and should be dealt with differently. The pathogenesis of NASH implicates the overexpression of cytochrome P450 2E1 (CYP2E1). We investigated whether the noninvasive determination of CYP2E1 activity could replace a liver biopsy in order to differentiate NASH from NAFL. METHOD: Forty patients referred for suspicion of NASH underwent liver biopsy. In these patients, CYP2E1 activity was determined noninvasively by the 6-hydroxychlorzoxazone/chlorzoxazone (CHZ) ratio (CHZ test). Expression of CYP2E1 on liver slides was assessed by immunohistochemistry, and immunostaining for smooth muscle actin was used to assess the activation of hepatic stellate cells (HSC). RESULTS: Thirty patients with NASH were compared with 10 subjects with NAFL. No statistically significant difference could be identified for the clinical and biochemical parameters between the two groups. In the histology, steatosis was more important in NASH than in NAFL (P<0.0001). There was no difference either in the activity (CHZ test) or in the expression of CYP2E1 (immunohistochemistry) between patients with NASH and patients with NAFL. The degree of HSC activation was also comparable between the two groups. A positive and significant correlation was found between the activity of CYP2E1 and body mass index (P<0.001) as well as with the degree of steatosis (P=0.008). CONCLUSION: For patients suspected to have NASH, noninvasive tests including the determination of the CYP2E1 activity are unable to distinguish them from patients with steatosis.

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.

Expression, induction and regulation of the cytochrome P450 monooxygenase system in the rat glioma C6 cell line

The cytochrome P450 monooxygenase system consists of NADPH- cytochrome P450 reductase (P450 reductase) and cytochromes P450, which can catalyze the oxidation of a wide variety of endogenous and exogenous compounds, including steroid hormones, fatty acids, drugs, and pollutants. The functions of this system are as diverse as the substrates. P450 reductase transfers reducing equivalents from NADPH to P450, which in turn catalyzes metabolic reactions. This enzyme system has the highest level of activity in the liver. It is also present in other tissues, including brain. The functions of this enzyme system in brain seem to include: neurotransmission, neuroendocrinology, developmental and behavioral modulation, regulation of intracellular levels of cholesterol, and potential neurotoxicity.^ In this study, we have set up the rat glioma C6 cell line as an in vitro model system to examine the expression, induction, and tissue-specific regulation of P450s and P450 reductase. Rat glioma C6 cells were treated with P450 inducers phenobarbital (PB) or benzo(a)anthracene (BA). The presence of P450 reductase and of cytochrome P450 1A1, 1A2, 2A1, 2B1/2, 2C7, 2D1-5 and 2E1 was detected by reverse transcription followed by polymerase chain reaction (RT-PCR) and confirmed by restriction digestion. The induction of P450 1A1 and 2B1/2 and P450 reductase was quantified using competitive PCR. Ten- and five-fold inductions of P450 1A and 2B mRNA after BA or PB treatments, respectively, were detected. Western blot analysis of microsomal preparations of glioma C6 cells demonstrated the presence of P450 1A, 2B and P450 reductase at the protein level. ELISAs showed that BA and PB induce P450 1A and 2B proteins 7.3- and 13.5-fold, respectively. Microsomes prepared from rat glioma C6 cells showed cytochrome P450 CO difference spectra with absorption at or near 450 nm. Microsomes prepared from rat glioma C6 cells demonstrated much higher levels of ethoxyresorufin O-deethylase (EROD) and pentoxyresorufin O-dealkylase (PROD) activity, when treated with BA or PB, respectively. These experiments provide further evidence that the rat glioma C6 cell line contains an active cytochrome P450 monooxygenase system which can be induced by P450 inducers. The mRNAs of P450 1A1 and 2B1/2 can not bind to the oligo(dT) column efficiently, indicating they have very short poly(A) tails. This finding leads us to study the tissue specific regulation of P450s at post-transcriptional level. The half lives of P450 1A1 and 2B1/2 mRNA in glioma C6 cells are only 1/10 and 1/3 of that in liver. This may partly contribute to the low expression level of P450s in glial cells. The induction of P450s by BA or PB did not change their mRNA half lives, indicating the induction may be due to transcriptional regulation. In summary of this study, we believe the presence of the cytochrome P450 monooxygenase system in glial cells of the brain may be important in chemotherapy and carcinogenesis of brain tumors. ^

Structural studies of cytochrome P4501A1: Identification of substrate and cumene hydroperoxide binding regions in the active site of P4501A1 and characterization of the P4501A1 interaction with cytochrome P450 reductase

Cytochromes P450 are a superfamily of heme-thiolate proteins that function in a concert with another protein, cytochrome P450 reductase, as terminal oxidases of an enzymatic system catalyzing the metabolism of a variety of foreign compounds and endogenous substrates. In order to better understand P450s catalytic mechanism and substrate specificity, information about the structure of the active site is necessary. Given the lack of a crystal structure of mammalian P450, other methods have been used to elucidate the substrate recognition and binding site structure in the active center. In this project I utilized the photoaffinity labeling technique and site-directed mutagenesis approach to gain further structural insight into the active site of mammalian cytochrome P4501AI and examine the role of surface residues in the interaction of P4501A1 with the reductase. ^ Four crosslinked peptides were identified by photoaffinity labeling using diazido benzphetamine as a substrate analog. Alignment of the primary structure of cytochrome P4501A1 with that of bacterial cytochrome P450102 (the crystal structure of which is known) revealed that two of the isolated crosslinked peptides can be placed in the vicinity of heme (in the L helix region and β10-β11 sheet region of cytochrome P450102) and could be involved in substrate binding. The other two peptides were located on the surface of the protein with the label bound specifically to Lys residues that were proposed to be involved in reductase-P450 interaction. ^ Alternatively, it has been shown that some of the organic hydroperoxides can support P450 catalyzed reactions in the absence of NADPH, O2 and reductase. By means of photoaffinity labeling the cumene hydroperoxide binding region was identified. Using azidocumene as the photoaffinity label, the tripeptide T501-L502-K503 was shown to be the site where azidocumene covalently binds to P4501A1. The sequence alignment of cytochrome P4501A1 with cytochrome P450102 predicts that this region might correspond to β-sheet structure localized on the distal side of the heme ring near the I helix and the oxygen binding pocket. The role of Thr501 in the cumene hydroperoxide binding was confirmed by mutations of this residue and kinetic analysis of the effects of the mutations. ^ In addition, the role of two lysine residues, Lys271 and Lys279, in the interaction with reductase was examined by means of site-directed mutagenesis. The lysine residues were substituted with isoleucine and enzymatic activity of the wild type and the mutants were compared in reductase- and cumene hydroperoxide-supported systems. The lysine 279 residue has been shown to play a critical role in the P4501A1-reductase interaction. ^

A novel form of CYP3A from rat brain: cDNA cloning, protein characterization and gene regulation of cytochrome P450 3A9

One full length cDNA clone, designated 3aH15, was isolated from a rat brain cDNA library using a fragment of CYP3A2 cDNA as a probe. 3aH15 encoded a protein composed of 503 amino acid residues. The deduced amino acid sequence of 3aH15 was 92% identical to mouse Cyp3a-13 and had a 68.4% to 76.5% homology with the other reported rat CYP3A sequences. Clone 3aH15 was thus named CYP3A9 by Cytochrome P450 Nomenclature Committee. CYP3A9 seems to the major CYP3A isozyme expressed in rat brain. Sexual dimorphism of the expression of CYP3A9 was shown for the first time in rat brain as well as in rat liver. CYP3A9 appears to be female specific in rat liver based on the standards proposed by Kato and Yamazoe who defined sex specific expression of P450s as being a 10-fold or higher expression level in one sex compared with the other. CYP3A9 gene expression was inducible by estrogen treatment both in male and in female rats. Male rats treated with estrogen had a similar expression level of CYP3A9 mRNA both in the liver and brain. Ovariectomy of adult female rats drastically reduced the mRNA level of CYP3A9 which could be fully restored by estrogen replacement. On the other hand, only a two-fold induction of CYP3A9 expression by dexamethasone was observed in male liver and no significant induction of CYP3A9 mRNA was observed in female liver or in the brains. These results suggest that estrogen may play an important role in the female specific expression of the CYP3A9 gene and that CYP3A9 gene expression is regulated differently from other CYP3A isozymes. ^ P450 3A9 recombinant protein was expressed in E. coli using the pCWOri+ expression vector and the MALLLAVF amino terminal sequence modification. This construct gave a high level of expression (130 nmol P450 3A9/liter culture) and the recombinant protein of the modified P450 3A9 was purified to electrophoretic homogeneity (10.1 nmol P450/mg protein) from solubilized fractions using two chromatographic steps. The purified P450 3A9 protein was active towards the metabolism of many clinically important drugs such as imipramine, erythromycin, benzphetamine, ethylmorphine, chlorzoxazone, cyclosporine, rapamycin, etc. in a reconstituted system containing lipid and rat NADPH-P450 reductase. Although P450 3A9 was active towards the catabolism of testosterone, androstenedione, dehydroepiandrosterone (DHEA) and 17β-estradiol, P450 3A9 preferentially catalyzes the metabolism of progesterone to form four different hydroxylated products. Optimal reconstitution conditions for P450 3A9 activities required a lipid mixture and GSH. The possible mechanisms of the stimulatory effects of GSH on P450 3A9 activities are discussed. Sexually dimorphic expression of P450 3A9 in the brain and its involvement in many neuroactive drugs as well as neurosteroids suggest the possible role of P450 3A9 in some mental disorders and brain functions. ^

CYTOCHROME P450 MEDIATED REDUCTIVE DEHALOGENATION OF HEXACHLOROBENZENE

The role of the cytochrome (CYT) P-450 mixed-function oxidase (MFO) in the biotransformation of hexachlorobenzene (HCB) was investigated, since in vivo interaction between this enzyme and chemical is very probable. HCB is a type I substrate with (Fe('3+)) CYT P-450 isozymes present in untreated, b-naphthoflavone (BNF) and phenobarbital (PB) induced rat liver microsomes. HCB dependent and saturable type I binding titrations yield spectral dissociation constants (K(,s)) of 180 and 83 uM for the isozymes present in untreated and PB induced microsomes, respectively. Purified CYT P-450b, the major isozyme induced by PB, produces HCB dependent and saturable type I spectra with a K(,s) of 0.38 uM.^ CYT P-450 mediated reductive dehalogenation occurs in microsomes and purified/reconstituted MFO systems and produces pentachlorobenzene (PCB) as the initial and major metabolite under both aerobic and anaerobic conditions. In microsomal reactions secondary metabolism of PCB occurs in the presence of oxygen. Pentachlorophenol (PCP) is produced only in aerobic reactions with PB induced microsomes with a concomitant decrease in PCB production. PCP is not detected in aerobic reactions with BNF induced microsomes, although PCB production is decreased compared to anaerobic conditions. A reaction scheme for the production of phenolic metabolities from PCB is deduced.^ CYT P-450 dependent and NADPH independent modes of PCB production occur with purified/reconstituted MFO systems and are consistent with dehalogenation pathways observed with microsomal experiments. The NADPH independent production of PCB requires native microsomal or purified MFO protein components and may be the result of nucleophilic displacement of a chlorine atom from HCB mediated or coupled with redox active functions (primary, secondary, tertiary and quarternary structures) of the proteins. CYT P-450 dependent production of PCB from HCB is isozyme dependent: CYT P-450c = CYT P-450d > CYT P-450a > CYT 450b. The low apparent specific activity may be due to non-optimal reconstitution conditions (e.g., isozyme choice and requirement of other microsomal elecron transport components) and secondary metabolism of PCB and the phenols derived from PCB. CYT P-450 mediated dehalogenation may be catalyzed through attack, by the iron oxene (postulated intermediate of CYT P-450 monooxygenations), at the chlorines of HCB instead of the aromatic nucleus. (Abstract shortened with permission of author.) ^