细胞色素 P450，亚家族 IIIA，多肽 4 ，维生素 D 依赖性佝偻病，3 型

细胞色素 P450 3A4（CYP3A4） 是在成人肝脏中表达的主要 P450，由多种结构不同的异种化学物质组成型表达和转录激活。CYP3A4 负责许多临床使用的药物的氧化代谢。

▼ 克隆与表达
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沃特金斯等人（1985）在人肝脏中鉴定了糖皮质激素诱导的细胞色素 P450。莫洛瓦等人（1986）报道了该 P450 的完整 cDNA 序列。Wrighton 和 Vandenbranden（1989）从人胎肝中分离出一种 CYP3 型细胞色素 P450。

▼ 测绘
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通过体细胞杂交和原位杂交，Riddell 等人（1987）将编码硝苯地平氧化酶（CYP3） 的细胞色素 P450 基因分配给第 7 号染色体。Gonzalez 等人证实了对 7 号染色体的分配（1988）通过使用体细胞杂交。这些作者还提供了支持 P450PCN1 和硝苯地平氧化酶身份的额外证据。

通过使用已知位于 7 号染色体上的 DNA 标记的多点连锁分析，Brooks 等人（1988）得出结论，CYP3 最可能的位置是 7q21-q22.1。未发现与 COL1A2（ 120160 ） 标记的重组。斯珀尔等人（1989）通过对一组人类-啮齿动物体细胞杂交体的研究，将 CYP3 分配给 7q22-qter。

井上等人（1992）通过荧光原位杂交将 CYP3A4 定位到 7q22.1。

▼ 生化特征
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Shimada 和 Guengerich（1989）提供的证据表明，参与将肝癌黄曲霉毒素 B（1） 生物活化为其具有遗传毒性的 2,3-环氧化物衍生物的主要催化剂是硝苯地平氧化酶，P450 蛋白也催化硝苯地平和其他二氢吡啶的氧化、奎尼丁、大环内酯类抗生素、各种类固醇和其他化合物。这种 P450 酶的水平在人类中差异很大，显然呈广泛的单峰分布（Schellens 等，1988）。体外和体内证据表明，巴比妥类、某些类固醇和大环内酯类抗生素可以诱导该酶。由于该酶的活性可以通过非侵入性测定进行估计，因此在黄曲霉毒素摄入量高的人群中检验肝癌与氧化代谢水平有关的假设可能是可行的。肝癌是非洲和亚洲许多地区过早死亡的主要原因，其发病率与黄曲霉毒素 B（1） 接触密切相关。AFB（1） 是一种由曲霉菌属产生的真菌毒素，人类接触主要是由于摄入了被霉菌污染的储存食品。致癌性与其通过肝细胞色素 P450 依赖性单加氧酶系统转化为 8,9-氧化物有关。福雷斯特等人（1990）发现 AFB（1） 的代谢活化率与 CYP3A 基因家族的蛋白质水平和微粒体的总细胞色素 P450 含量高度相关。还发现了 CYP1A2（ 124060 ） 和 CYP2A1（见122720）的参与。

戴利等人（1992）将该基因称为 CYP3A4，指出尽管Kleinbloesem 等人（1984）和Hoyo-Vadillo 等人（1989）描述了硝苯地平代谢的双峰分布，但在Renwick 等人的研究中无法重现双峰分布（1988）和Schellens 等人（1988）。在一项主要研究囊性纤维化中硝苯地平代谢的研究（ 219700 ） 中，基于 CFTR（ 602421 ） 和 CYP3A4 基因座是松散连接的事实，Daly 等人（1992）在 59 对照中发现硝苯地平的主要代谢物的回收率呈单峰分布，8 小时内排泄 33% 至 78%。在囊性纤维化患者及其父母中，康复的分布向左移动，20 名父母中有 5 名和 11 名无关的囊性纤维化患者中有 3 名的康复率低于对照组中观察到的范围。不良的新陈代谢似乎既可重复又可遗传。

细胞色素 P450 3A4 是人类肝脏中最丰富的 P450 之一（Wrighton 和 Stevens，1992）。它可由多种药物诱导，包括糖皮质激素和苯巴比妥。它似乎在免疫抑制性环肽环孢菌素 A 以及大环内酯类抗生素（如红霉素）的代谢中起核心作用。它还催化许多类固醇的 6-β-羟基化，包括睾酮、孕酮和皮质醇。作为移植受者评估中 CYP3A4 功能的指标，已使用通过呼气试验（Elshourbagy 和 Guzelian，1980）和尿液中 6-β-羟基化类固醇的存在来测量红霉素代谢。谢特等人（1993）报道了旨在评估含有人 CYP3A4 血红素域的纯化重组融合蛋白的酶学特性的实验结果。提出了怀疑 CYP3A4 活性的体内试验有效性的原因。

一杯葡萄柚汁已被证明可以显着增加各种常用药物的口服利用度，包括非洛地平、硝苯地平、维拉帕米、炔雌醇和环孢菌素 A。据推测，这种作用的机制涉及抑制代谢，而不是抑制代谢。改善吸收，因为许多受影响的药物在没有葡萄柚汁的情况下服用时似乎吸收良好。已知大多数受葡萄柚汁影响的药物主要由 CYP3A4 代谢，CYP3A4 是肝脏和小肠腔内排列的肠细胞中含量最丰富的细胞色素 P450。洛恩等人（1997）注意到几条证据表明葡萄柚汁抑制 CYP3A4 的主要部位是肠道而不是肝脏。首先，一些受葡萄柚汁影响的药物已被证明在小肠中通过 CYP3A4 进行大量代谢。此外，当静脉内给药时，葡萄柚汁似乎不会影响 CYP3A4 底物的清除。最后，葡萄柚汁对口服药物的主要作用是增加峰值血清浓度，而随后通过半衰期测量的消除率几乎没有变化。洛恩等人（1997）评估了重复摄入葡萄柚汁对 10 名健康男性的 CYP3A4 表达的影响，这些男性每天服用 3 次 8 盎司葡萄柚汁，持续 6 天。他们发现葡萄柚汁不会改变肝脏 CYP3A4 活性、CYP3A5 结肠水平或 P-糖蛋白、绒毛蛋白、CYP1A1 和 CYP2D6 的小肠浓度。相比之下，肠细胞中 CYP3A4 的浓度下降了 62%，而 CYP3A4 mRNA 水平没有相应的变化。此外，当非洛地平与相对于水的第一杯或第十六杯葡萄柚汁一起服用时，在饮用葡萄柚汁之前测量的 CYP3A4 肠细胞浓度与血清峰值浓度的增加相关。洛恩等人（1997）得出结论，葡萄柚汁对口服非洛地平动力学影响的机制是其在小肠中选择性下调 CYP3A4。随着时间的推移，葡萄柚汁的作用没有减弱。他们观察到 CYP3A5 蛋白和 CYP3A4 蛋白的下调。

圣约翰草是一种流行的草药产品，用于治疗抑郁症，并被认为与药物相互作用有关。马科维茨等人（2003）发现，根据阿普唑仑药代动力学的变化，14 天的圣约翰草给药过程显着诱导了 CYP3A4 的活性。这表明长期服用圣约翰草可能会导致所有 CYP3A4 底物的临床有效性降低或剂量需求增加，据说这些底物占所有上市药物的至少 50%。

Dimaraki 和 Jaffe（2003）检查了曲格列酮对肝脏 CYP3A4 活性的影响以及库欣综合征的筛查试验（ 219080 , 219090 ）。他们发现曲格列酮会诱导 CYP3A4 的活性，导致地塞米松抑制试验出现错误异常，并建议在服用可增加 CYP3A4 活性的药物的患者中，氢化可的松抑制试验是地塞米松抑制试验的有用替代方法。

古普塔等人（2004）发现 CYP3A4 是人类肝脏和肠道中最丰富的细胞色素 P450 酶，其活性比以 1-α-羟基维生素 D（2） 作为底物的任何其他酶高 7 倍。它对 1-α-羟基维生素 D（3） 和维生素 D（2） 的活性较低，并且不利用维生素 D（3） 作为底物。25-羟化酶活性与 CYP3A4 睾酮 6-β-羟化酶活性相关，CYP3A4 抑制剂抑制重组 CYP3A4 和合并肝微粒体中的 25-羟化酶活性。

晶体结构

威廉姆斯等人（2004）报道了 CYP3A4 的 3 种晶体结构：未配体、与抑制剂美替拉酮结合和与底物黄体酮结合。这些结构揭示了一个令人惊讶的小活性位点，与任一化合物的结合相关的构象变化很小。发现了一个意想不到的外周结合位点，位于苯丙氨酸簇上方，可能与底物或变构效应物的初始识别有关。

Ekroos 和 Sjogren（2006）展示了人类 CYP3A4 与 2 种已充分表征的药物（酮康酮和红霉素）复合的晶体结构，从而为 CYP3A4 对超过一半已上市药物的代谢做出贡献的能力提供了结构基础。CYP3A4 在配体结合后经历了显着的构象变化，活性位点体积增加了 80% 以上。这些结构代表了 CYP3A4 的 2 个不同的开放构象，因为酮康酮和红霉素诱导了不同类型的协调变化。也有明确的迹象表明红霉素的多种结合模式。

▼ 基因功能
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CYP3A4 负责多种异生素的氧化代谢，包括估计所有临床使用药物的 60%。尽管已知 CYP3A4 基因的表达是响应于多种化合物而诱导的，但这种诱导的机制尚不清楚，它代表了患者药物相互作用的基础。莱曼等人（1998）鉴定了一种人类孤儿核受体，称为孕烷 X 受体（PXR; 603065），它与 ​​CYP3A4 启动子中的反应元件结合，并被一系列已知可诱导 CYP3A4 表达的药物激活。人类 PXR 与小鼠 Pxr 的比较揭示了它们被某些药物激活的显着差异，这可能部分解释了化合物对 CYP3A4 基因表达的物种特异性影响。这些发现为不同化学物质诱导 CYP3A4 水平的能力提供了分子解释，此外，还为开发体外分析以帮助预测药物是否会在人体中相互作用提供了基础。

CYP3A4 活性或表达的改变似乎是药物反应性和毒性的关键预测因子（Thummel 和 Wilkinson，1998 年）。古德温等人（ 1999 , 2002 ） 表明配体激活的核受体 PXR 和组成型雄甾烷受体（CAR; 603881 ） 调节 CYP3A4 表达。然而，在基于细胞的报告基因检测中，CYP3A4 启动子活性在肝细胞中最为显着，而在非肝细胞中则最低或中等，这表明生理转录反应需要肝脏特异性因子。蒂罗纳等（2003）表明孤儿核受体肝细胞核因子-4-α（HNF4A; 600281） 与 PXR 和 CAR 介导的 CYP3A4 转录激活密切相关。他们在 CYP3A4 基因增强子中发现了一个特定的顺式作用元件，它赋予 HNF4-α 结合，从而允许 PXR 和 CAR 介导的基因激活。有条件删除 Hnf4-α 的胎鼠已减少或不存在 CYP3A 的表达。此外，条件性肝基因缺失的成年小鼠降低了 CYP3A 的基础和诱导表达。这些数据将 HNF4-α 鉴定为协调核受体介导的对异生物质的反应的重要调节剂。

增山等人（2003）检查了 PXR-CYP3A 通路在子宫内膜癌组织中的表达和潜在作用。与显示低 PXR 表达的组织中的水平相比，显示高 PXR 表达的组织显示 PXR 靶标 CYP3A4 和 CYP3A7（ 605340 ） 的显着高表达和雌激素受体（ER；参见133430）的低表达。在子宫内膜癌细胞系中，HEC-1 细胞表达高 PXR 和低 ER 和孕激素受体（ 607311），与表达低 PXR 但高 ER 的 Ishikawa 细胞相比，PXR-CYP3A 途径对 PXR 配体的转录反应更强。作者得出结论，肿瘤组织中通过 PXR-CYP3A 途径的类固醇/异生素代谢可能作为性腺激素和内分泌干扰化学作用的替代途径对表达低 ER-α 的子宫内膜癌发挥重要作用。

古普塔等人（2005）筛选了在杆状病毒感染的昆虫细胞中表达的 16 种肝脏重组微粒体细胞色素 P450 酶的 24-羟化酶活性。CYP3A4、维生素 D-25-羟化酶和 CYP1A1（ 108330 ） 具有最高的 24-羟化酶活性，以 1-α-羟基维生素 D2（1-α-OHD2） 作为底物。1-α-OHD2 和 1-α-OHD3 的 24-和 25-羟基化率在重组野生型 CYP3A4 和定点突变体和在大肠杆菌中表达的自然发生的变体中确定。残基置换显示出最显着的功能改变是在残基 119、120、301、305 和 479。因此，CYP3A4 是维生素 D2、1-α-OHD2 和 1-α-羟化酶的 24-和 25-羟化酶。 OHD3。

▼ 分子遗传学
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与药物代谢的关联

药物代谢的不同阶段 I 和阶段 II 途径包括针对环境毒素的保护机制。细胞色素 P450 酶的 I 期代谢将许多化合物转化为反应性、亲电子、水溶性中间体，其中一些会损伤 DNA。谷胱甘肽 S-转移酶（例如，GSTP1, 134660）和 N-乙酰转移酶（例如，NAT1, 108345）是 II 期酶，可使各种有毒化合物失活，包括由 I 期代谢产生的化合物。已知多种细胞色素 P450、谷胱甘肽 S-转移酶和 N-乙酰转移酶具有与化学致癌作用潜在相关的多态性。例如，Wolf 等人发现了 CYP2D6 多态性（ 124030 ）（1992）与白血病风险增加有关；弱代谢表型（见608902）被认为会降低化学致癌物的解毒能力。在患有骨髓增生异常综合征的成年白人人群中观察到过量的 GSTT1（ 600436 ） 无效基因型，再次表明致癌物解毒减少可能会增加对骨髓增生异常综合征的易感性（Chen 等，1996）。表鬼臼毒素在白血病治疗中用作 DNA 拓扑异构酶 II 抑制剂，并且与涉及 MLL 基因的易位以及其他易位的产生有关，是 CYP3A 代谢的底物。雷贝克等人（1998）鉴定了 CYP3A4 基因的 5-prime 启动子区域的变体：基因的奈非地平特异性反应元件中的多态性。他们将这种多态性称为 CYP3A4-V（ 124010.0001 ）。

菲利克斯等人（1998）研究了药物代谢的遗传变异作为 DNA 拓扑异构酶 II 抑制剂诱导的白血病的潜在宿主风险因素。他们检查了 99 例新发白血病和 30 例治疗相关白血病的 CYP3A4-V 多态性。在所有与治疗相关的病例中，之前都曾接触过一种或多种经 CYP3A 代谢的抗癌药物。99 例新发白血病中的 19 例（19%） 和 30 例治疗相关白血病中的 1 例（3%） 携带 CYP3A4-V 多态性。42 例具有 MLL 基因易位的新生白血病中有 9 例（21%） 和 22 例具有 MLL 基因易位的治疗相关白血病中有 0 例携带 CYP3A4-V 多态性。当将暴露于鬼臼毒素后的 19 例具有 MLL 基因易位的治疗相关白血病与相同的 42 例从头病例进行比较时，这种关系仍然显着。这些数据表明，具有 CYP3A4-W（野生型）基因型的个体患治疗相关白血病的风险可能增加，并且 CYP3A4 的表鬼臼毒素代谢可能导致继发性癌症风险。CYP3A4-W 基因型可能会增加潜在破坏 DNA 的反应性中间体的产生。该变体可能会减少表鬼臼毒素儿茶酚代谢物的产生，该代谢物是潜在的 DNA 损伤醌的前体。

通过对 CYP3A4 内含子 7 中 2 个 SNP（78013C-T 和 78649C-T）的 18 个白种人供体的肝脏样本进行基因分型，Hirota 等人（2004）证明了总 CYP3A4 mRNA 水平和等位基因表达比率之间的相关性，定义为源自 2 个等位基因的相对转录水平比率。具有低表达率的个体，在 2 个等位基因之间表现出巨大的转录水平差异，揭示了极低水平的总肝脏 CYP3A4 mRNA，因此通过睾酮 6-β-羟基化评估的代谢能力低。

与前列腺癌易感性的关联

睾酮的代谢涉及多种途径，调节这些途径的基因，包括 5-α-还原酶-2（SRD5A2；607306）和 CYP3A4，与前列腺癌（176807）的易感性有关。CYP3A4*1B 等位基因（ 124010.0001 ） 可能会降低睾酮的氧化失活（Rebbeck 等，1998）。非裔美国人的前列腺癌发病率是世界上最高的。齐格勒-约翰逊等人（2002）根据种族研究了 SRD5A2 和 CYP3A4 基因座基因型的差异。他们发现 CYP3A4*1B 等位基因在加纳人和非洲裔美国人中（基因频率超过 50%）比在白种人中（低于 10%）更常见，而在亚洲人中显然不存在。

在一项涉及来自 506 个患有前列腺癌的同胞的 1,117 名兄弟的病例对照样本的基因型/单倍型关联研究中，Loukola 等人（2004）检测到前列腺癌风险或侵袭性与许多 CYP3A4 SNP（p 值介于 0.006 和 0.05 之间）和 CYP3A4 单倍型（在非分层和分层分析中分别为 p = 0.05 和 0.009）之间的关联。他们注意到 CYP3A4*1B 等位基因和 CYP3A4_Hap4 单倍型与低疾病侵袭性呈负相关（两者的 p = 0.009）。

依赖维生素 D 的佝偻病，3 型

席尔默等人（2006）研究了 5 个种族的 CYP3A 基因座。连锁不平衡（LD）的程度因种族而异，但保守的 LD 区域最常见的等位基因非常相似。非非洲的单倍型很少；例如，仅 4 个单倍型就占了常见的欧洲白种人等位基因的 80%。建议选择高频大 LD 块。欧洲高加索人和亚洲人队列均包含一组具有非常高 P 过量值的单核苷酸多态性。这两组中这些块之间的重叠仅包含所研究的 26 个 SNP 中的 2 个，其中 1 个是 CYP3A4*1B 等位基因。与非裔美国人相比，7q 上 CYP3A4*1B 的着丝粒区域在欧洲白种人中表现出高单倍型纯合性。CYP3A4*1B 对 CYP3A4 mRNA 和蛋白表达有中等影响，以及评估为肝脏库中睾酮 6-β-羟基化的 V（max） 的 CYP3A 活性。建议在非非洲人群中针对 CYP3A4*1B 等位基因进行选择。该等位基因的消除涉及欧洲白种人和亚洲人的 CYP3A 基因座的不同部分。因为 CYP3A4 参与维生素 D 代谢，席尔默等人（2006）提出了佝偻病可能是潜在选择因素的可能性。

在 2 名患有维生素 D 依赖性佝偻病（VDDR3；619073）的无关女孩中，已知 VDDR 相关基因的突变为阴性，Roizen 等人（2018）确定了 CYP3A4 基因中相同错义突变的杂合性（I301T; 124010.0002 ）。该突变在两个家族中都与疾病分离，并且在对照外显子组或公共变异数据库中未发现。体外实验表明 I301T 变体具有功能获得效应。

▼ 动物模型
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保利尼等人（1999）发现补充高剂量 β-胡萝卜素的大鼠肺中致癌物质代谢酶 CYP1A1（ 108330 ）、CYP1A2（ 124060 ）、CYP3A、CYP2B（ 123930 ） 和 CYP2A显着增加。作者认为，人体中相应高水平的 CYP 会使个体易患广泛生物活性的烟草烟雾致癌物的癌症风险，从而解释了 β-胡萝卜素对吸烟者的致癌作用。

CYP3A 酶的诱导具有物种特异性，据信涉及 1 个或多个细胞因子或受体样异种传感器。谢等人（2000）将 PXR/SXR（ 603065 ） 确定为这样的一个因素。他们表明，小鼠 Pxr 基因的靶向破坏消除了原型诱导剂（如地塞米松或孕烯醇酮-16-α-腈）对 CYP3A 的诱导。在携带激活人类 SXR 形式的转基因的 Pxr-null 小鼠中，CYP3A 基因表达组成性上调，并增强了对有毒外源化合物的保护作用。谢等人（2000）证明受体的物种起源，而不是 CYP3A 基因的启动子结构，决定了 CYP3A 诱导性的物种特异性模式。因此，他们可以产生对人类特异性诱导剂（如抗生素利福平）有反应的“人源化”转基因小鼠。谢等人（2000）得出结论，SXR/PXR 基因编码主要物种特异性异种传感器，介导适应性肝脏反应，可能代表人类异种保护的关键生化机制。

范赫瓦登等（2007）发现缺乏所有 8 种功能性 Cyp3a 基因的小鼠（Cyp3a -/- 小鼠）是有活力和可育的，并且看起来正常。然而，这些小鼠在暴露于化学治疗剂多西他赛时表现出解毒能力受损，并表现出对多西他赛毒性的敏感性增加。人 CYP3A4 在转基因 Cyp3a -/- 小鼠肠道中的表达增加了多西紫杉醇进入血流的吸收，而肝脏中 CYP3A4 的表达有助于全身多西紫杉醇清除。范赫瓦登等（2007）得出结论，CYP3A4 在异生物质代谢中具有组织特异性功能。

▼ 等位基因变体（ 2 精选示例）：
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.0001 CYP3A4 启动子多态性
CYP3A4-V
CYP3A4, ag 启动子
雷贝克等人（1998）观察到 CYP3A4 启动子的硝苯地平特异性反应元件的多态性，他们将其称为 CYP3A4-V。沃克等人（1998）报道 agggcaagag 是白种人和台湾人中最常见的形式；agggcaggag（CYP3A4-V） 存在于 9% 的白人、53% 的非裔美国人和 0% 的台湾人中。Felix 等人发现 CYP3A4-V 形式存在显着缺陷（1998）在服用由 CYP3A 代谢的化学治疗剂后发生治疗相关白血病的受试者中。

巴黎等人（1999）发现 CYP3A4-V 多态性与较高的 Gleason 分级和 TNM 分期前列腺癌有关，即更多的恶性特征。这种关联在 65 岁以上没有家族史的患者中最为明显（Rebbeck 等，1998 年；Paris 等，1999 年）。鉴于非裔美国人人口由于其非洲血统以及随后与欧洲裔美国人的混合而具有遗传异质性，因此对非裔美国人的病例对照研究极易受到人口分层导致的虚假关联的影响。前列腺癌的发病率在非裔美国人中最高，在非西班牙裔白人中居中，在亚洲人中最低（见176807）。为了测试与前列腺癌的关联，Kittles 等人（2002）对来自前列腺癌患者和代表非裔美国人、尼日利亚人和欧洲裔美国人的年龄和种族匹配的对照的 1,376 条染色体中的 CYP3A4-V 进行基因分型。对十个未连锁的遗传标记进行基因分型，以检测非裔美国人样本中的人口分层。在尼日利亚人和欧洲裔美国人对照之间观察到 CYP3A4-V 频率的显着差异。在非裔美国人的 CYP3A4-V 和前列腺癌之间观察到未经分层校正的关联（P = 0.007）。在欧洲裔美国人中也观察到了名义上的关联（P = 0.02），但在尼日利亚人中没有。非连锁遗传标记测试提供了非裔美国人人口分层的有力证据。由于层次分明，

.0002 依赖维生素 D 的佝偻病，3 型
CYP3A4、ILE301THR
在 2 名患有维生素 D 依赖性佝偻病（VDDR3; 619073 ） 的无关女孩（P1.1 和 P2.1 ）中，Roizen 等人（2018）确定了 CYP3A4 中 c.902T-C 转换（c.902T-C，NM_017460.5）的杂合性，导致 ile301 到 thr（I301T）在高度保守的残基处取代。该突变在两名患者中都是从头出现的，在 3,000 个对照外显子组或公共变异数据库中均未发现。血清 4,25-二羟基维生素 D（25-羟基维生素 D 的 CYP3A4 代谢的主要产物）的分析表明，2 名患者的 4-β,25-二羟基维生素 D 与 25-二羟基维生素 D 的比率显着升高。在哺乳动物细胞 2-杂交系统中测量 1,25-二羟基维生素 D 灭活的实验表明，I301T 变体的活性比野生型 CYP3A4 高近 10 倍，几乎是 1,25-二羟基维生素 D3 主要灭活剂的两倍, CYP24A1（ 126065）。然而，I301T 突变体对非维生素 D 底物没有表现出增加的活性。