细胞色素P450，亚家族IIIA，多肽4

细胞色素P450 3A4（CYP3A4）是在成年人类肝脏中表达的主要P450，它通过多种结构多样的异种化学物质组成性表达和转录激活。CYP3A4负责许多临床使用药物的氧化代谢。

细胞遗传学位置：7q22.1
基因座标（GRCh38）：7：99,756,966-99,784,183

▼ 克隆和表达
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沃特金斯等人（1985）确定了人肝中糖皮质激素诱导的细胞色素P450。Molowa等（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。

▼ 基因功能
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CYP3A4负责广泛的异种生物的氧化代谢，包括估计所有临床使用药物的60％。尽管已知可以响应多种化合物来诱导CYP3A4基因的表达，但尚不清楚这种诱导的基础机制，该机制是患者中药物相互作用的基础。Lehmann等（1998）确定了人类孤儿核受体，称为孕烷X受体（PXR; 603065），它与CYP3A4启动子的反应元件结合，并被一系列已知可诱导CYP3A4表达的药物激活。将人PXR与小鼠Pxr进行比较后发现，某些药物在其激活方面存在显着差异，这可能部分解释了化合物对CYP3A4基因表达的物种特异性作用。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，并且进一步为开展体外测定法以帮助预测药物在人体内是否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 and Wilkinson，1998）。Goodwin等（1999，2002）表明，配体活化的核受体PXR和组成型雄烷受体（CAR; 603881）调节CYP3A4表达的影响。然而，在基于细胞的报告基因检测中，CYP3A4启动子活性在肝源性细胞中最为明显，而在非肝细胞中则最小或中等，这表明生理转录应答需要肝特异性因子。Tirona等（2003年）表明，孤儿核受体肝细胞核因子-4-α（HNF4A; 600281）关键参与CYP3A4的PXR和CAR介导的转录激活。他们在CYP3A4基因增强子中鉴定了一种特定的顺式作用元件，该元件赋予HNF4-α结合，从而允许PXR和CAR介导的基因激活。有条件地缺失Hnf4-α的胎鼠的CYP3A表达降低或缺失。此外，有条件肝基因缺失的成年小鼠CYP3A的基础表达和诱导表达降低。这些数据确定HNF4-α是协调核受体介导的对异种生物反应的重要调节剂。

增山等（2003）检查了PXR-CYP3A途径在子宫内膜癌组织中的表达及其潜在作用。与高PXR表达的组织相比，高PXR表达的组织显示PXR靶标CYP3A4和CYP3A7的表达显着高（605340），而雌激素受体的表达低（ER；参见133430）。在子宫内膜癌细胞系中，HEC-1细胞表达高PXR，低ER和孕激素受体（607311）显示了比PXR-CYP3A途径对PXR配体的转录反应强于Ishikawa细胞，后者表达低PXR但具有高ER。作者得出的结论是，通过PXR-CYP3A途径在肿瘤组织中类固醇/异生物素代谢可能对性腺激素和干扰内分泌的化学作用对表达低ER-α的子宫内膜癌的替代途径起重要作用。

Gupta等（2005）筛选了杆状病毒感染的昆虫细胞中表达的16种肝重组微粒体细胞色素P450酶的24-羟化酶活性。CYP3A4（一种维生素D-25-羟化酶）和CYP1A1（108330）以1-α-羟维生素D2（1-α-OHD2）为底物具有最高的24-羟化酶活性。在重组野生型CYP3A4中以及在大肠杆菌中表达的定点突变体和天然变异体中，确定了1-α-OHD2和1-α-OHD3的24和25-羟基化速率。残基的取代在残基119、120、301、305和479处显示出最显着的功能变化。因此，CYP3A4既是维生素D2、1-α-OHD2和1-α- OHD3。

▼ 生化特征
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Shimada和Guengerich（1989）提出的证据表明，参与肝致癌性黄曲霉毒素B（1）对其遗传毒性的2,3-环氧化物衍生物的生物激活的主要催化剂是硝苯地平氧化酶，该P450蛋白还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酶的水平在人之间差异很大，显然以广泛的单峰分布（Schellens等，1988）。）。体外和体内证据表明该酶可由巴比妥类药物，某些类固醇和大环内酯类抗生素诱导。由于该酶的活性可以通过非侵入性测定来评估，因此检验黄曲霉毒素摄入量高的人群中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，在这些地区与黄曲霉毒素B（1）暴露的发生率密切相关。AFB（1）是一种由曲霉属物种产生的霉菌毒素，人体暴露的主要原因是食入受霉菌污染的食品。致癌性与肝细胞色素P450依赖的单加氧酶系统将其转化为8,9-氧化物有关。Forrester等（1990）发现AFB（1）的代谢活化速率与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的参与（见122720）。

戴利等（1992年），指出该基因为CYP3A4，指出虽然Kleinbloesem等（1984）和Hoyo-Vadillo等（1989年）描述了硝苯地平代谢的双峰分布，Renwick等人的研究无法重现双峰（1988）和Schellens等（1988）。在一项以硝苯地平在囊性纤维化中的新陈代谢为主要研究目的的研究中（219700），基于CFTR（602421）和CYP3A4基因座之间存在松散联系这一事实，Daly等人（2002）（1992）在59中发现，硝苯地平主要代谢物的回收率呈单峰分布，在8小时内排泄率为33％至78％。在囊性纤维化患者及其父母中，回收率的分布向左移动，其中20名父母中的5名和11名无关的囊性纤维化患者中3名的回收率低于对照组。不良的新陈代谢似乎既可重现又可遗传。

细胞色素P450 3A4是人肝中最丰富的P450之一（Wrighton和Stevens，1992年）。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）的代谢中起着核心作用。它也催化许多类固醇的6-β-羟基化，包括睾丸激素，孕酮和皮质醇。作为CYP3A4在评估移植受者中功能的指标，已使用通过呼气试验（Elshourbagy和Guzelian，1980年）和尿液中存在6-β-羟基类固醇测量红霉素代谢的方法。Shet等（1993）报道了旨在评估纯化的含有人CYP3A4血红素结构域的重组融合蛋白的酶学性质的实验结果。提出了质疑CYP3A4活性体内试验有效性的理由。

已显示单杯葡萄柚汁可显着增加多种常用药物的口服量，包括非洛地平，硝苯地平，维拉帕米，炔雌醇和环孢菌素A。推测这种作用的机制涉及抑制代谢，而不是抑制代谢。改善了吸收，因为在没有葡萄柚汁的情况下服用时，许多受影响的药物似乎都被很好地吸收了。已知受葡萄柚汁影响的大多数药物主要通过CYP3A4代谢，CYP3A4是肝脏和肠小肠腔内肠细胞中最丰富的细胞色素P450。劳恩等（1997）注意到有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，一些受柚子汁影响的药物已被CYP3A4证明在小肠中经历大量的新陈代谢。另外，当葡萄柚汁经静脉给药时，似乎不影响CYP3A4底物的清除。最后，西柚汁对口服药物的主要作用是增加血清峰值浓度，而随后的半衰期消除率几乎没有变化。劳恩等（1997）评估了反复摄入柚子汁对CYP3A4表达的影响，该研究是对10名健康男人进行的，这些男人每天3次服用8盎司柚子汁，共6天。他们发现葡萄柚汁不会改变肝脏CYP3A4的活性，结肠中CYP3A5的水平或肠中P-糖蛋白，villin，CYP1A1和CYP2D6的浓度。相反，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，当服用第一杯或第十六杯西柚汁相对于水服用非洛地平时，在服用西柚汁之前测得的肠细胞CYP3A4浓度与血清峰值浓度增加相关。劳恩等（1997）结论认为，葡萄柚汁对口服非洛地平动力学的影响的机制是其在小肠中选择性地下调CYP3A4。随着时间的流逝，柚子汁的功效并没有减少。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。Markowitz等（2003年）发现，通过阿普唑仑的药代动力学变化来衡量，服用圣约翰草的14天疗程可显着诱导CYP3A4的活性。这表明长期服用圣约翰草可能导致所有CYP3A4底物的临床有效性降低或剂量要求增加，据说这些底物至少占所有市售药物的50％。

Dimaraki和贾菲（2003）考察了肝脏CYP3A4的活性曲格列酮的库欣综合征（的筛选试验的影响，219080，219090）。他们发现曲格列酮会诱导CYP3A4的活性，从而导致错误的地塞米松抑制试验异常，并建议氢化可的松抑制试验是在服用能增加CYP3A4活性的药物患者中替代地塞米松抑制试验的一种有用替代方法。

Gupta等（2004年）发现CYP3A4是人肝和肠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）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，并且没有利用维生素D（3）作为底物。25-羟化酶活性与CYP3A4睾丸激素6-β-羟化酶活性相关，CYP3A4抑制剂抑制重组CYP3A4和合并的肝微粒体中的25-羟化酶活性。

晶体结构

威廉姆斯等（2004）报道了CYP3A4的3个晶体结构：未配体，与抑制剂甲吡酮结合，并与底物孕酮结合。该结构显示出令人惊讶的小活性位，几乎没有与任何一种化合物结合相关的构象变化。鉴定到位于苯丙氨酸簇上方的意外的外周结合位点，其可能参与底物或变构效应子的初始识别。

Ekroos和Sjogren（2006）提出了人类CYP3A4的晶体结构与两种特征鲜明的药物酮可那酮和红霉素的复合物，从而为CYP3A4促进一半以上市售药物的代谢提供了结构基础。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。该结构代表CYP3A4的2个不同的开放构象，因为酮可那酮和红霉素诱导不同类型的协调移位。还清楚地表明了红霉素的多种结合模式。

▼ 测绘
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通过体细胞杂交和原位杂交，Riddell等（1987）将第7号染色体的细胞色素P450基因编码为硝苯地平氧化酶（CYP3）。Gonzalez等人证实了对7号染色体的分配（1988）通过使用体细胞杂种。这些作者还提供了其他证据支持P450PCN1和硝苯地平氧化酶的身份。通过使用已知位于7号染色体上的DNA标记进行多点连锁分析，Brooks等人（1988年）得出的结论是，CYP3最可能的位置是7q21-q22.1。未发现与COL1A2（120160）标记的重组。Spurr等（1989）通过研究一组人类-啮齿类动物体细胞杂种，将CYP3分配给7q22-qter。井上等（1992）通过荧光原位杂交将CYP3A4定位于7q22.1。

▼ 分子遗传学
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药物代谢的不同的I期和II期途径包括针对环境毒素的保护机制。细胞色素P450酶的I期新陈代谢将许多化合物转化为反应性，亲电的水溶性中间体，其中一些会破坏DNA。作为II期酶的谷胱甘肽S转移酶（例如GSTP1，134660）和N-乙酰基转移酶（例如NAT1，108345）使各种有毒化合物失活，包括由I期代谢产生的化合物。对于各种细胞色素P450，谷胱甘肽S-转移酶和N-乙酰基转移酶，与化学致癌作用潜在相关的多态性是已知的。例如，Wolf等人发现CYP2D6多态性（124030）（1992）与患白血病的风险增加有关；不良的代谢者表型（参见608902）被认为会降低化学致癌物解毒的能力。在成年白人患有骨髓增生异常综合症的人群中观察到过量的GSTT1（600436）无效基因型，再次表明致癌物的解毒作用降低可能增强了对骨髓增生异常综合症的易感性（Chen等，1996）。表鬼臼毒素是CYP3A代谢的底物，其在白血病的治疗中用作DNA拓扑异构酶II抑制剂，与产生涉及MLL基因的易位以及其他易位有关。Rebbeck等（1998）在CYP3A4基因的5个启动子区域中发现了一个变体：该基因的肾上腺素特异性反应元件中有一个多态性。他们将多态性称为CYP3A4-V（124010.0001）。

Felix等（1998）研究了药物代谢的遗传变异，将其作为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。他们研究了99例从头和30例与治疗相关的白血病中的CYP3A4-V多态性。在所有与治疗相关的病例中，以前都曾接触过一种或多种通过CYP3A代谢的抗癌药物。99例新生患者中有19例（19％）和30例治疗相关性白血病（3％）中的1例具有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％），22例具有MLL基因易位的治疗相关的白血病中有0例具有CYP3A4-V多态性。将表鬼臼毒素暴露后与MLL基因易位的19种治疗相关的白血病与42例新发病例进行比较时，这种关系仍然很重要。这些数据表明，具有CYP3A4-W（野生型）基因型的个体患治疗相关性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量。该变体可以减少表鬼臼毒素儿茶酚代谢物的产生，其是潜在破坏DNA的醌的前体。

睾丸激素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，与前列腺癌的易感性有关（176807）。CYP3A4 * 1B等位基因（124010.0001）可能会降低睾丸激素的氧化失活（Rebbeck et al。，1998）。非裔美国人拥有世界上最高的前列腺癌发生率。Zeigler-Johnson等（2002年）根据种族，研究了SRD5A2和CYP3A4基因座的基因型差异。他们发现，CYP3A4 * 1B等位基因在加纳人和非裔美国人（基因频率超过50％）比高加索人（不到10％）更为常见，并且在亚洲人中显然不存在。

Loukola等人在一项基因型/单倍型关联研究中，从506个同胞同胞中抽取了1,117个兄弟作为病例对照样本（2004年）检测到前列腺癌的风险或侵略性与许多CYP3A4 SNP（p值在0.006和0.05之间）和CYP3A4单倍型之间的关联（分别在非分层和分层分析中分别为p = 0.05和0.009）。他们指出，CYP3A4 * 1B等位基因和CYP3A4_Hap4单倍型与低疾病侵袭性呈负相关（两者均为p = 0.009）。

Schirmer等（2006年）在5个种族中调查了CYP3A基因座。族群之间的连锁不平衡程度（LD）不同，但是保守的LD区最常见的等位基因非常相似。非非洲单倍型很少；例如，只有4个单倍型占欧洲普通白种人等位基因的80％。建议使用较大的高频LD模块。欧洲高加索人和亚洲人队列每个都包含一个单核苷酸多态性块，其P过量值非常高。这两组中的这些嵌段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。CYP3A4 * 1B的区域着丝粒在7q上表现出高的单倍型纯合性，在欧洲高加索人中而非在非洲裔美国人中。CYP3A4 * 1B对CYP3A4 mRNA和蛋白表达有中等程度的影响，以及对CYP3A活性的评估为肝库中睾丸激素6-β-羟基化的V（max）。建议在非非洲人群中针对CYP3A4 * 1B等位基因进行选择。在欧洲高加索人和亚洲人中，消除该等位基因涉及CYP3A基因座的不同部分。由于CYP3A4参与维生素D代谢，Schirmer等（2006）提出病可能是潜在的选择因素。

通过对来自18个白种人供体的CYP3A4内含子7中2个SNPs（78013C-T和78649C-T）的肝样品进行基因分型，Hirota等人（2004）证明总CYP3A4 mRNA水平和等位基因表达比之间的相关性，被定义为衍生自2个等位基因的相对转录水平比。低表达率个体，在两个等位基因之间表现出较大的转录水平差异，显示出总肝CYP3A4 mRNA的极低水平，因此经睾丸素6-β-羟基化评估其代谢能力低。

▼ 动物模型
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Paolini等（1999）发现补充高剂量β-胡萝卜素的大鼠肺中的致癌物代谢酶CYP1A1（108330），CYP1A2，CYP3A，CYP2B（123930）和CYP2A 显着增加。作者认为，人体中CYPs的相应高水平将使个体容易受到广泛生物激活的烟烟致癌物致癌的危险，从而解释了β-胡萝卜素对吸烟者的致癌作用。

CYP3A酶的诱导是物种特异性的，并且被认为涉及一种或多种细胞因子或受体样异种传感器。谢等（2000）将PXR / SXR（603065）确定为此类因素之一。他们显示，对小鼠Pxr基因的靶向破坏消除了地塞米松或孕烯醇酮16-α-甲腈等原型诱导剂对CYP3A的诱导。在携带激活形式的人SXR的转基因的无Pxr小鼠中，CYP3A基因表达的组成型上调并增强了对有毒异源化合物的保护。谢等（2000年）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，它们可以产生对人特异性诱导剂如利福平有反应的“人源化”转基因小鼠。谢等（2000年）得出结论，SXR / PXR基因编码介导适应性肝反应的主要物种特异性异种传感器，并可能代表人类异种保护的关键生化机制。

Van Herwaarden等（2007）发现缺乏全部8个功能性Cyp3a基因的小鼠（Cyp3a-/-小鼠）是活的和可育的，并且看起来是正常的。但是，这些小鼠暴露于化疗药物多西紫杉醇时，排毒能力受损，并且对多西紫杉醇毒性的敏感性增加。人CYP3A4在转基因Cyp3a-/-小鼠肠中的表达增加了多西紫杉醇向血液中的吸收，而CYP3A4在肝脏中的表达有助于全身性多西紫杉醇清除。Van Herwaarden等（2007年）得出的结论是，CYP3A4在异源生物代谢中具有组织特异性功能。

▼ 等位基因变异体（1个选定的示例）：
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.0001 CYP3A4启动子多态性
CYP3A4-V
CYP3A4，AG启动子
Rebbeck等（1998）观察到CYP3A4启动子的硝苯地平特异性反应元件有一个多态性，他们将其称为CYP3A4-V。Walker等（1998）报道，agggcaagag是高加索人和台湾人中最常见的形式。agggcaggag（CYP3A4-V）存在于9％的白人，53％的非洲裔美国人和0％的台湾人中。Felix等人发现CYP3A4-V形式的显着缺陷（1998年），研究对象在服用经CYP3A代谢的化疗药物后出现与治疗有关的白血病。

巴黎等（1999）发现CYP3A4-V多态性与更高的Gleason等级和TNM阶段摄护腺癌，即，更多恶性特征相关。在没有家族史的65岁以上患者中，这种关联最明显（Rebbeck等，1998；Paris等，1999）。鉴于非裔美国人由于其非洲血统和随后与欧洲人的混血而在遗传上是异质的，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联想的影响。前列腺癌的发生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（2002年）CYP3A4-V的基因型来自前列腺癌患者以及代表非裔美国人，尼日利亚人和欧洲裔美国人的与年龄和种族相匹配的对照组的1,376条染色体。对十个未关联的遗传标记进行了基因分型，以检测非裔美国人样本中的人口分层。CYP3A4-V频率在尼日利亚和欧洲裔对照组之间观察到明显差异。在非裔美国人中，CYP3A4-V与前列腺癌之间存在未校正的分层相关性（P = 0.007）。在欧洲裔美国人中也观察到名义关联（P = 0.02），但尼日利亚人没有。无关联的遗传标记测试为非裔美国人中的人口分层提供了有力的证据。