A gut feeling of the PXR, PPAR and NF-kappaB connection.

Bowel diseases reveal the complex interplay of sensing and signalling pathways in maintaining healthy homeostasis of the intestine. Recent studies of the xenobiotic nuclear receptor, pregnane X receptor and the inflammatory mediator nuclear transcription factor kappaB (NF-kappaB) reveal a functional link between xenobiotic neutralization and inflammation and explain how certain xenobiotics can affect the immune response. Furthermore, another nuclear receptor, peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPAR gamma) has been shown to produce beneficial effects in experimental inflammatory bowel diseases by repression of NF-kappaB thereby reducing inflammation, whilst its close relative PPAR beta/delta appears at a central position in signalling pathways involved in the progression of colon cancer. Recently accumulated knowledge on the action of these nuclear receptors and NF-kappaB in intestinal homeostasis may provide the rationale for the development of innovative treatment strategies with selective receptor modulators.

Metabolomics reveals a novel vitamin E metabolite and attenuated vitamin E metabolism upon PXR activation

Pregnane X receptor (PXR) is an important nuclear receptor xenosensor that regulates the expression of metabolic enzymes and transporters involved in the metabolism of xenobiotics and endobiotics. In this study, ultra-performance liquid chromatography (UPLC) coupled with electrospray time-of-flight mass spectrometry (TOFMS), revealed altered urinary metabolomes in both Pxr-null and wild-type mice treated with the mouse PXR activator pregnenolone 16alpha-carbonitrile (PCN). Multivariate data analysis revealed that PCN significantly attenuated the urinary vitamin E metabolite alpha-carboxyethyl hydroxychroman (CEHC) glucuronide together with a novel metabolite in wild-type but not Pxr-null mice. Deconjugation experiments with beta-glucuronidase and beta-glucosidase suggested that the novel urinary metabolite was gamma-CEHC beta-D-glucoside (Glc). The identity of gamma-CEHC Glc was confirmed by chemical synthesis and by comparing tandem mass fragmentation of the urinary metabolite with the authentic standard. The lower urinary CEHC was likely due to PXR-mediated repression of hepatic sterol carrier protein 2 involved in peroxisomal beta-oxidation of branched-chain fatty acids (BCFA). Using a combination of metabolomic analysis and a genetically modified mouse model, this study revealed that activation of PXR results in attenuated levels of the two vitamin E conjugates, and identification of a novel vitamin E metabolite, gamma-CEHC Glc. Activation of PXR results in attenuated levels of the two vitamin E conjugates that may be useful as biomarkers of PXR activation.

Cytochrome P450 Regulation by -Tocopherol in Pxr-Null and PXR-Humanized Mice

The pregnane X receptor (PXR) has been postulated to play a role in the metabolism of α-tocopherol owing to the up-regulation of hepatic cytochrome P450 (P450) 3A in human cell lines and murine models after α-tocopherol treatment. However, in vivo studies confirming the role of PXR in α-tocopherol metabolism in humans presents significant difficulties and has not been performed. PXR-humanized (hPXR), wild-type, and Pxr-null mouse models were used to determine whether α-tocopherol metabolism is influenced by species-specific differences in PXR function in vivo. No significant difference in the concentration of the major α-tocopherol metabolites was observed among the hPXR, wild-type, and Pxr-null mice through mass spectrometry-based metabolomics. Gene expression analysis revealed significantly increased expression of Cyp3a11 as well as several other P450s only in wild-type mice, suggesting species-specificity for α-tocopherol activation of PXR. Luciferase reporter assay confirmed activation of mouse PXR by α-tocopherol. Analysis of the Cyp2c family of genes revealed increased expression of Cyp2c29, Cyp2c37, and Cyp2c55 in wild-type, hPXR, and Pxr-null mice, which suggests PXR-independent induction of Cyp2c gene expression. This study revealed that α-tocopherol is a partial agonist of PXR and that PXR is necessary for Cyp3a induction by α-tocopherol. The implications of a novel role for α-tocopherol in Cyp2c gene regulation are also discussed.

CXR, a chicken xenobiotic-sensing orphan nuclear receptor, is related to both mammalian pregnane X receptor (PXR) and constitutive androstane receptor (CAR)

Nuclear receptors constitute a large family of ligand-modulated transcription factors that mediate cellular responses to small lipophilic molecules, including steroids, retinoids, fatty acids, and exogenous ligands. Orphan nuclear receptors with no known endogenous ligands have been discovered to regulate drug-mediated induction of cytochromes P450 (CYP), the major drug-metabolizing enzymes. Here, we report the cloning of an orphan nuclear receptor from chicken, termed chicken xenobiotic receptor (CXR), that is closely related to two mammalian xenobiotic-activated receptors, the pregnane X receptor (PXR) and the constitutive androstane receptor (CAR). Expression of CXR is restricted to tissues where drug induction of CYPs predominantly occurs, namely liver, kidney, small intestine, and colon. Furthermore, CXR binds to a previously identified phenobarbital-responsive enhancer unit (PBRU) in the 5′-flanking region of the chicken CYP2H1 gene. A variety of drugs, steroids, and chemicals activate CXR in CV-1 monkey cell transactivation assays. The same agents induce PBRU-dependent reporter gene expression and CYP2H1 transcription in a chicken hepatoma cell line. These results provide convincing evidence for a major role of CXR in the regulation of CYP2H1 and add a member to the family of xenobiotic-activated orphan nuclear receptors.

The nuclear receptor PXR is a lithocholic acid sensor that protects against liver toxicity

The pregnane X receptor (PXR) is the molecular target for catatoxic steroids such as pregnenolone 16α-carbonitrile (PCN), which induce cytochrome P450 3A (CYP3A) expression and protect the body from harmful chemicals. In this study, we demonstrate that PXR is activated by the toxic bile acid lithocholic acid (LCA) and its 3-keto metabolite. Furthermore, we show that PXR regulates the expression of genes involved in the biosynthesis, transport, and metabolism of bile acids including cholesterol 7α-hydroxylase (Cyp7a1) and the Na+-independent organic anion transporter 2 (Oatp2). Finally, we demonstrate that activation of PXR protects against severe liver damage induced by LCA. Based on these data, we propose that PXR serves as a physiological sensor of LCA, and coordinately regulates gene expression to reduce the concentrations of this toxic bile acid. These findings suggest that PXR agonists may prove useful in the treatment of human cholestatic liver disease.

An essential role for nuclear receptors SXR/PXR in detoxification of cholestatic bile acids

Hepatic hydroxylation is an essential step in the metabolism and excretion of bile acids and is necessary to avoid pathologic conditions such as cholestasis and liver damage. In this report, we demonstrate that the human xenobiotic receptor SXR (steroid and xenobiotic receptor) and its rodent homolog PXR (pregnane X receptor) serve as functional bile acid receptors in both cultured cells and animals. In particular, the secondary bile acid derivative lithocholic acid (LCA) is highly hepatotoxic and, as we show here, a metabolic substrate for CYP3A hydroxylation. By using combinations of knockout and transgenic animals, we show that activation of SXR/PXR is necessary and sufficient to both induce CYP3A enzymes and confer resistance to toxicity by LCA, as well as other xenotoxicants such as tribromoethanol and zoxazolamine. Therefore, we establish SXR and PXR as bile acid receptors and a role for the xenobiotic response in the detoxification of bile acids.

Clinical and pharmacogenetic study on smoking and smoking cessation

Currently, smoking cessation represents one of the main strategies to reduce the incidence of tobacco-related diseases in the population. Smoking can also influence pharmacotherapy through several pharmacokinetic or pharmacodynamic interactions. Some of the most concerned drugs are those metabolized by the cytochrome P450 (CYP) 1A2 enzyme (e.g. caffeine, theophylline, clozapine, olanzapine, duloxetine), whose activity is induced by the polycyclic aromatic hydrocarbons found in tobacco smoke. This can result in a clinically significant decrease in the pharmacological effect of the drugs and the need of higher doses in smokers. Conversely, upon smoking cessation, toxic plasma levels of the drugs can be reached. The main objective of this thesis was to study the interindividual variability in CYP1A2 induction in a large cohort of smokers, by measuring CYP1A2 activity before smoking cessation and one month later in continuously abstinent subjects. For this purpose, a clinical study was conducted, including 194 smokers from the general population who wished to participate in a smoking cessation program and therefore received medical counseling and substitution therapy (nicotine or varenicline). An analytical method for the simultaneous quantification of nicotine, its metabolites and varenicline in plasma was developed and validated using ultra performance liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry. This method was used to confirm abstinence at different time points during the follow-up. Moreover, it was used to determine plasma levels of the smoking cessation drugs, to be used in the study of their pharmacogenetics, which was the secondary objective of this thesis. High interindividual variability in CYP1A2 induction by smoking was observed, ranging from no change to approximately 7 times decreased CYP1A2 activity after smoking cessation. Several clinical and genetic factors were investigated in an attempt to explain this variability. Firstly, a significant influence of CYP1A2*1F and *1D alleles, of contraceptive use and of the number of cigarettes smoked per day on CYP1A2 induced activity was observed, and of CYP1A2*1F and the use of contraceptives on the basal activity. But no influence of these factors was found on CYP1A2 inducibility. Given that known genetic polymorphisms in CYP1A2 gene were shown to explain only poorly the observed variations in activity, additional genetic factors were studied. SNPs in the CYP oxidoreductase (POR) gene were found to influence CYP1A2 basal activity, but not the induction. Finally, a pathway-based approach allowed to identify SNPs in genes coding for nuclear receptors (CAR, RXRa, VDR, PXR) and induction-mediating receptors (AhR), which significantly influenced CYP1A2 inducibility and basal activity (SNPs in the gene coding for CAR and RXRa). As secondary objective of the study, the pharmacogenetics of nicotine and varenicline is being investigated. Therefore, the nicotine metabolite ratio is used in the attempt to better explain nicotine dependence and the failure/success of quitting smoking. A population pharmacokinetic model is being developed for varenicline, integrating clinical and genetic factors (genes coding for its metabolizing enzymes and transporters), with the purpose of trying to predict efficacy and side effects. These findings suggest that the influence of smoking on pharmacotherapy could be better managed by including clinical and possibly in the future genetic factors, in the assessment of the adaptations needed when a person starts or stops smoking.  - L'arrêt du tabac représente une des principales stratégies pour diminuer l'incidence des maladies causées par celui-ci. Le tabagisme peut influencer la thérapie médicamenteuse par des interactions pharmacocinétiques ou pharmacodynamiques. Parmi les médicaments concernés, il y a ceux métabolisés par le cytochrome P450 (CYP) 1A2 (caféine, théophylline, clozapine, olanzapine, duloxétine, etc), dont l'activité enzymatique est induite par les hydrocarbures aromatiques polycycliques présents dans la fumée de cigarette. Ceci peut se traduire par une diminution de l'effet pharmacologique du traitement et la nécessité d'augmenter les doses d'entretien chez les fumeurs. Au contraire, à l'arrêt de la cigarette, les taux plasmatiques des médicaments peuvent devenir toxiques. L'objectif principal de cette thèse était d'étudier la variabilité interindividuelle dans l'induction du CYP1A2 dans une large cohorte de fumeurs, par la mesure de l'activité du CYP1A2 avant l'arrêt de la cigarette, ainsi qu'un mois après chez les sujets abstinents. Pour ce faire, une étude clinique a été conduite, incluant 194 fumeurs de la population générale dans un programme d'arrêt du tabac offrant des consultations spécifiques et un traitement pharmacologique (nicotine ou varénicline). Une méthode analytique pour la quantification simultanée de la nicotine, ses métabolites et la varénicline dans le plasma par chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem à été développée et validée. Cette méthode a été utilisée pour confirmer l'abstinence pendant l'étude et déterminer les taux plasmatiques des médicaments, dans le but d'étudier leur pharmacogénétique. Une grande variabilité interindividuelle dans l'induction du CYP1A2 par la fumée a été observée, parfois sans changement et pouvant aller jusqu'à une diminution d'environ 7 fois l'activité du CYP1A2 après l'arrêt de la cigarette. Plusieurs facteurs cliniques et génétiques ont été étudiés pour essayer d'expliquer cette variabilité. Tout d'abord, on a observé une influence significative: des allèles CYP1A2*1F et *1D, des contraceptifs et du nombre de cigarettes fumées par jour sur l'activité induite du CYP1A2, ainsi que l'influence de l'allèle *1F et des contraceptifs sur l'activité basale. Cependant, aucune influence de ces facteurs n'a été démontrée sur l'inductibilité du CYP1A2. Étant donné que les polymorphismes génétiques du CYP1A2 apportent peu de renseignements sur la variabilité de son activité, des facteurs génétiques supplémentaires ont été étudiés. Des polymorphismes dans le gène POR (CYP oxidoreductase) ont été associés à l'activité basale du CYP1A2, mais pas à l'induction. Finalement, une approche basée sur la voie de signalisation du CYP1A2 a permis d'identifier des polymorphismes dans des gènes codant pour des récepteurs nucléaires (CAR, RXRa, VDR, PXR) et d'autres liés à l'induction (AhR) qui influencent significativement l'inductibilité et l'activité basale (les SNPs du CAR et RXRa). L'objectif secondaire de cette étude était d'investiguer la pharmacogénétique de la nicotine et de la varénicline. Le ratio métabolique de la nicotine est utilisé pour mieux expliquer la dépendance à la nicotine et le succès/échec de l'arrêt de la cigarette. Un modèle pharmacocinétique de population est en cours de développement pour la varénicline, intégrant des facteurs cliniques et génétiques (gènes codant pour ses enzymes de métabolisme et transporteurs), pour tenter de prédire son efficacité et ses effets secondaires. Les résultats de cette thèse suggèrent que l'influence du tabagisme sur la pharmacothérapie serait mieux gérée par l'inclusion des facteurs cliniques et peut-être, dans le futur, génétiques, dans l'évaluation des adaptations nécessaires lorsqu'une personne fume ou arrête de fumer.  - l'arrêt du tabac représente une des principales stratégies pour diminuer l'incidence des maladies causées par celui-ci dans la population. Le tabagisme peut influencer les traitements médicamenteux, soit en modifiant leur élimination par l'organisme, soit en agissant sur leur mode d'action. Parmi les médicaments les plus concernés, on retrouve par exemple: la caféine, la théophylline, la clozapine, l'olanzapine, la duloxétine, dont l'élimination est accélérée par la fumée de cigarette (induction enzymatique). Ceci peut se traduire par une diminution de l'effet du traitement et la nécessité d'en augmenter les doses chez les fumeurs. Au contraire, à l'arrêt de la cigarette, on observe un ralentissement de la fonction enzymatique, qui a pour conséquence une augmentation du taux de médicament dans le sang, pouvant devenir toxique. L'objectif principal de cette thèse était d'étudier comment cette induction par le tabac varie dans une population de fumeurs, par la mesure de l'activité de l'enzyme avant l'arrêt de la cigarette, ainsi qu'un mois après chez les sujets abstinents. Pour ce faire, une étude clinique a été conduite, incluant 194 fumeurs de la population générale dans un programme d'arrêt du tabac offrant des consultations spécifiques et un traitement médicamenteux (nicotine ou varénicline). Une méthode analytique a été mise au point pour mesurer la quantité de nicotine, de ses produits de dégradation et de la varénicline dans le sang des participants à l'étude. De plus, cette méthode a été utilisée pour confirmer l'abstinence pendant l'étude. Une grande variabilité interindividuelle a été observée dans l'induction de l'enzyme par la fumée; il en résulte aucun changement d'activité chez certains sujets après l'arrêt de la cigarette, alors que pour d'autres elle peut être diminuée jusqu'à 7 fois. Plusieurs facteurs cliniques et génétiques ont été étudiés pour essayer d'expliquer cette variabilité. Premièrement, une influence sur l'activité de l'enzyme a été observée pour les contraceptifs hormonaux et le nombre de cigarettes fumées par jour, ainsi que pour certaines variations génétiques dans le gène codant pour l'enzyme d'intérêt, mais il η y a pas eu d'influence sur l'induction. Par la suite, des variations génétiques dans d'autres gènes influençant le fonctionnement de l'enzyme ont été associées soit avec son activité, soit avec son induction par le tabac. Finalement, l'étude propose également d'investiguer si le métabolisme de la nicotine a une influence sur la dépendance, les symptômes de sevrage et le succès/échec de l'arrêt de la cigarette. Des variations génétiques dans les gènes du métabolisme de la varénicline sont également étudiées en lien avec les quantités de varénicline mesurées dans le sang ainsi que les effets du médicament. Ceci permettra peut-être de prédire son efficacité et ses effets secondaires. Les résultats de cette thèse suggèrent que l'influence du tabagisme sur la thérapie médicamenteuse serait mieux gérée en tenant compte des facteurs cliniques et peut-être, dans le futur, de la génétique dans l'adaptation des traitements, que la personne soit fumeuse ou en phase d'arrêt.

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.

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.

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.

Die Expression und Regulation der CYP3A in menschlicher Haut

In Leber und Dünndarm bauen CYP3A-Enzyme eine Vielzahl von Fremdstoffen ab, die in den Körper gelangt sind. Zudem aber sind diese Enzyme auch in anderen Organen, wie der Haut exprimiert. Doch weder die genaue Zusammensetzung der CYP3A-Isozyme noch deren physiologische Rolle in der Haut sind bisher bekannt. Basierend auf begrenzten in vitro-Daten ist eine Rolle der CYP3A in der kutanen Vitamin D-Synthese denkbar. Auf der anderen Seite könnten die kutanen CYP3A auch lokal oder systemisch verabreichte Medikamente in der Haut verstoffwechseln und so zur Entstehung immunologischer und nicht-immunologischer unerwünschter Arzneimittelwirkungen beitragen, von denen sich bis zu 45 % in der Haut manifestieren.rnDie Arbeitshypothese dieses Projekts war, dass die CYP3A die kutane Synthese von Vitamin D regulieren. In dieser Funktion wurden sie zur Vermeidung von Vitamin D-Mangel-Erkrankungen wie Rachitis oder Osteomalazie in Europäern negativ selektiert. rnDie Expression und Regulation der CYP3A wurde in Hautbiopsien, einer Zelllinie epidermalen Ursprungs und primären Hautzellen wie auch in transgenen Mäusen untersucht. Die metabolische Aktivität der CYP3A gegenüber den kutanen Vitamin D-Vorstufen wurde mit Hilfe rekombinant exprimierter Enzyme untersucht. CYP3A5-mRNA war die häufigste der CYP3A in humanen Hautproben und überstieg die von CYP3A4 um das Dreifache, die von CYP3A7 um das 130-Fache. Damit entsprach diese 1,3 %, 0,01 % bzw. 0,01 % der jeweiligen hepatischen Genexpression. Die Expression von CYP3A43 war zu vernachlässigen. CYP3A5 zeigte eine bimodale Expression sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene. So zeigten Träger der Wildtyp-Allels *1 eine 3,3-fach höhere mRNA- und 1,8-fach höhere Proteinmenge als homozygote Träger des Nullallels *3. CYP3A4/7- und CYP3A5-Protein wurde v. a. in den Keratinozyten der Epidermis und den Talgdrüsen, also den Bereichen der kutanen Vitamin D-Synthese lokalisiert. Die CYP3A5-Expression wurde ferner in der Haut transgener Mäusen gezeigt, die das Reportergen Luziferase unter Kontrolle des humanen CYP3A5-Promoters exprimieren. Verglichen mit der Leber war die kutane Expression des Vitamin D-Rezeptors (VDR) 100-fach höher, die der Xenosensoren CAR und PXR vergleichbar bzw. zu vernachlässigen. Dementsprechend erhöhte die Behandlung mit 1,25-Dihydroxyvitamin D, dem aktiven Vitamin D-Hormon, und dessen Vorstufen außer 7-Dehydrocholesterol, jedoch nicht der PXR-Ligand Rifampicin, die Expression der CYP3A. Wie in Zwei-Hybrid-Experimenten gezeigt, wurden die Effekte des 1,25-Dihydroxyvitamin D und dessen Vorstufen alleinig durch VDR vermittelt. Die Effektstärke hingegen war abhängig von Zellspender, Zellpassage und Zelltypus. Alle drei CYP3A-Isozyme metabolisieren Vitamin D zu einem oder mehreren unbekannten Metaboliten, jedoch nicht zu 25-Hydroxyvitamin D, dem direkten Vorläufer des aktiven Vitamin D. rnZusammengefasst legen die Daten nahe, dass die kutanen CYP3A, allen voran CYP3A5, die Vitamin D-Homöostase durch VDR-vermittelte Induktion des Abbaus von Vitamin D-Vorstufen regulieren. Dies zusammen mit Sequenzdaten liefert starke Indizien für Vitamin D als treibende Kraft der Selektion des CYP3A-Lokus in Europäern. Der Einfluss der CYP3A-Expression auf selektiv wirksame, klinisch relevante Knochenveränderungen wie Rachitis oder Osteomalazie müssen folgen.rn

Nuclear receptor and target gene mRNA abundance in duodenum and colon of dogs with chronic enteropathies

Nuclear receptors (NR), such as constitutive androstane receptor (CAR), pregnane X receptor (PXR) and peroxisome proliferator-associated receptors alpha and gamma (PPARalpha, PPARgamma) are mediators of inflammation and may be involved in inflammatory bowel disease (IBD) and food responsive diarrhea (FRD) of dogs. The present study compared mRNA abundance of NR and NR target genes [multi drug-resistance gene-1 (MDR1), multiple drug-resistance-associated proteins (MRD2, MRD3), cytochrome P450 (CYP3A12), phenol-sulfating phenol sulfotransferase (SULT1A1) and glutathione-S-transferase (GST A3-3)] in biopsies obtained from duodenum and colon of dogs with IBD and FRD and healthy control dogs (CON; n=7 per group). Upon first presentation of dogs, mRNA levels of PPARalpha, PPARgamma, CAR, PXR and RXRalpha in duodenum as well as PPARgamma, CAR, PXR and RXRalpha in colon were not different among groups (P>0.10). Although mRNA abundance of PPARalpha in colon of dogs with FRD was similar in both IBD and CON (P>0.10), PPARalpha mRNA abundance was higher in IBD than CON (P<0.05). Levels of mRNA of MDR1 in duodenum were higher in FRD than IBD (P<0.05) or CON (P<0.001). Compared with CON, abundances of mRNA for MRP2, CYP3A12 and SULT1A1 were higher in both FRD and IBD than CON (P<0.05). Differences in mRNA levels of PPARalpha and MRP2 in colon and MDR1, MRP2, CYP3A12 and SULT1A1 in duodenum may be indicative for enteropathy in FRD and (or) IBD dogs relative to healthy dogs. More importantly, increased expression of MDR1 in FRD relative to IBD in duodenum may be a useful diagnostic marker to distinguish dogs with FRD from dogs with IBD.