酶在紡織印染工業(yè)中的應用

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哺乳動物羧酸酯酶在藥物代謝中的作用

Role of carboxylesterase in drug metabolism

作者

王 蕊, 姜劍偉, 李燕

中國醫(yī)學科學院

北京協(xié)和醫(yī)學院藥物研究所藥物代謝室

創(chuàng)新藥物非臨床藥代/藥效北京市重點實驗室

活性物質(zhì)發(fā)現(xiàn)與適藥化研究北京市重點實驗室

摘要

羧酸酯酶(carboxylesterases, CESs) 屬于酯酶家族, 參與體內(nèi)多種內(nèi)、外源物及藥物的代謝過程。

CESs 體內(nèi)分布廣泛, 主要表達于肺、肝臟、腸、腎、皮膚等組織。

不同種屬CESs 的表達差異及基因多態(tài)性與藥物代謝差異密切相關。

本文簡述了CESs 分類與分布、結(jié)構(gòu)和作用機制、種屬差異性與基因多態(tài)性, 以期為CESs 及相關藥物設計研究提供思路。

正文

酯酶是催化內(nèi)外源物結(jié)構(gòu)中酯鍵斷裂的水解酶,廣泛分布于小至細菌、大至人體內(nèi)。

酯酶按其代謝化學鍵斷裂方式不同可分為A、B 和C 族酯酶, 其中羧酸酯酶(carboxylesterases, CESs)、乙酰膽堿酯酶、丁酰膽堿酯酶同屬于B 族酯酶, 是重要的I 相代謝酶。

按序列同源性分類, CESs 可分為CES1、CES2、在藥物代謝中發(fā)揮主要作用, 研究得最為深入。

CESs 主要分布在哺乳動物組織的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中, 通常應用人肝S9和微粒體進行CESs 的體外研究。

CESs 作用底物廣泛, 對維持機體正常生理功能具有重要作用。

CESs 參與眾多內(nèi)、外源物及藥物的代謝, 如血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑、抗癌藥、免疫調(diào)節(jié)劑、有機磷農(nóng)藥等。

不同種屬CESs 表達水平不一, 導致藥物在不同種屬的代謝特性存在明顯差異。

此外, 由于羧酸酯酶是多基因家族, 其表達與活性會受單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism, SNP) 影響, 使不同個體對同種藥物反應也不盡相同。

藥物成酯因其可提高難溶性藥物的溶解性、增加透膜能力、提高生物利用度的優(yōu)點獲得廣泛關注, 越來越多的酯類前藥被開發(fā)研究。

酯類藥物進入機體后, 酯酶對其代謝動力學過程產(chǎn)生不可替代的作用。

本文就CESs 的分類、分布、功能和作用機制、種屬差異性與基因多態(tài)性以及對藥物代謝動力學的影響等最新研究進展進行總結(jié), 以期為相關研究與藥物設計提供借鑒。

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CESs 分類與分布

藥物代謝酶廣泛存在于機體中, 參與內(nèi)源物與外源物的生物轉(zhuǎn)化, 在機體解毒與代謝中發(fā)揮重要作用。

CESs 作為體內(nèi)重要的Ⅰ相藥物代謝酶, 隸屬于酯酶家族, 主要催化酯鍵、酰胺鍵、硫酯鍵等水解, 其底物廣泛, 且不同亞型間具有底物交叉性。

1998 年, Satoh 等根據(jù)對比編碼基因的氨基酸序列,在充分考慮底物特異性、組織分布、免疫特性以及基因調(diào)控差異后, 將哺乳動物羧酸酯酶分為5 個家族,即CES1、CES2、CES3、CES4 和CES5。

其中, CES1和CES2 是CESs 中主要同工酶, 也是人體內(nèi)主要表達的亞型, 研究最為深入。

所以本文以CES1與CES2為主, 討論CESs 對于藥物代謝動力學的影響。

CESs 在體內(nèi)分布廣泛, 主要在具有屏障功能的組織中表達, 如肺、腸、肝臟、腎臟、皮膚等。

不同同工酶在體內(nèi)分布也不相同, CES1 在肝臟中高表達, 也存在于單核細胞、巨噬細胞、肺上皮細胞、心臟、睪丸等組織中, 在胃腸道表達較低。

與CES1 相反, CES2主要在小腸、結(jié)腸、腎、肝臟、心臟和腦組織中表達。

CESs 分布的不同初步?jīng)Q定了其代謝特異性。

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結(jié)構(gòu)與作用機制

2.1 CESs 的結(jié)構(gòu)特點

CESs 的結(jié)構(gòu)特點與其活性和功能緊密相關。

CESs 主要位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng), 與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)很多蛋白質(zhì)相似, CESs 依靠C-末端的His-X-Glu-Leu (HXEL) 序列通過KDEL 受體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜結(jié)合從而儲存在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)。

此外, 由17 至20 個氨基酸殘基 (包括疏水性氨基酸) 組成的信號肽也有助于其在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的儲存。

CESs 由3 個不同的區(qū)域構(gòu)成,包括含催化中心 (催化三連體) 的中心區(qū)、調(diào)控區(qū)和α/β 區(qū)。

在3 個區(qū)域的交界面存在一個10～15? 深的疏水口袋, 由催化三連體殘基構(gòu)成, 也包括C末端的螺旋結(jié)構(gòu), 是建立質(zhì)子轉(zhuǎn)移鏈的重要活化位點,4 個半胱氨酸組成特定二硫鍵以維持活性中心的空間構(gòu)型。

調(diào)控區(qū)主要由螺旋結(jié)構(gòu)組成, 較高的熱取代參數(shù)提示這個區(qū)域具有較好的動態(tài)流動性, 推測與調(diào)控底物的結(jié)合和產(chǎn)物的釋放相關。

α/β 區(qū)則與催化區(qū)和調(diào)控區(qū)毗連。此外, 在N79 位有一個N-糖苷鍵多糖, 在芳香族和脂肪族酯催化過程中起重要作用。

1993 年, 研究發(fā)現(xiàn)人CES基因跨度約為30 kb,包含14 個外顯子, CES1 和CES2 基因有48%序列同源。

經(jīng)互變分析確認, 人CES1 催化三聚體主要由Ser221、Glu354 和His467 組成。

這些特殊位點的互變極大程度減少了CESs 對許多底物的催化活性,進一步確定催化三連體的組成及在形成假定電荷中斷系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。

2.2 CESs的作用機制

近年來研究發(fā)現(xiàn), His和Glu形成的低阻性氫鍵可促進絲氨酸β-OH 基團的親核攻擊。

Ser 將質(zhì)子經(jīng)His 傳遞給底物羰基基團, 從而形成四面體中間物。

低阻性氫鍵可有效催化三連體穩(wěn)定在四面體中間物中, 同時, Gly123 與Gly124 和N-H 肽鍵形成的弱氫鍵同低阻性氫鍵共同使四面體中間物處于過渡狀態(tài), 隨后His450 中移除一個質(zhì)子使四面體中間物釋放醇產(chǎn)物形成?；?酶復合物。

此時, 水分子作為親核試劑, 代替原始底物醇基團發(fā)生脫酰反應。

此外, 除了水之外的化合物也可以攻擊?；?酶中間體, 引起酯交換反應而非水解反應。

據(jù)文獻報道, 人CES 催化區(qū)殘基與其他種屬高度同源, 提示不同種屬間催化機制可能相近。

具體反應過程如圖1 所示。

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CESs 對藥物代謝動力學的影響

3.1 對藥物結(jié)構(gòu)與取代基的影響

藥物的結(jié)構(gòu)決定參與代謝的水解酶類型和藥代動力學差異。

CESs 的底物廣泛, 不同結(jié)構(gòu)藥物與酶作用種類與難易程度也不相同。

CES1 X 射線晶體結(jié)構(gòu)顯示, CES1 結(jié)構(gòu)中包含一個大型靈活口袋和一個小型剛性口袋, 柔性大口袋有水解多種不同結(jié)構(gòu)化合物的能力, 而剛性口袋對于底物更有選擇性。

CES1 偏向于水解含有較小乙醇基和較大乙?；牡孜? 如可卡因、氯吡格雷和奧司他韋等。

而CES2 因為活性區(qū)的構(gòu)象干擾, 酰基-CES2 結(jié)合物的性質(zhì)限制了CES2 的底物特異性。

因此CES2 偏向于水解含有較大乙醇基和較小乙?；孜? 如阿司匹林、普魯卡因、伊立替康和卡培他濱等。

此外, 根據(jù)CESs底物特異性, 還可設計特異結(jié)合CES1 或CES2 的探針底物用來檢測不同生物基質(zhì)中的酶活性。

因此, 設計藥物時應考慮結(jié)構(gòu)對代謝的影響, 以得到藥代性質(zhì)良好的候選藥物。

表1 列舉了CES1 與CES2 特征底物結(jié)構(gòu)。

3.2 種屬差異

獼猴、鼠類、豬、狗、兔及人的血漿酯酶活性及表達水平存在顯著差異。

對氧磷酶(paraoxonase, PON) 和丁酰膽堿酯酶(butyrylcholinesterase,BChE) 普遍存在于所有物種, 在靈長類動物與狗中高表達, 而CESs 在兔子和鼠類中表達豐富。

酯酶表達水平的差異導致不同種屬對藥物的水解活性不同。

普萘洛爾(propranolol, PL) 及其衍生物在小鼠和大鼠血漿中被高活性CESs迅速水解,但兔血漿中的CESs 只水解PL 衍生物。

與嚙齒類動物相比, 人體內(nèi)CESs 活性較低。

此外, CESs 在不同種屬的表達與功能也存在差異, 如CES3、CES4和CES5 主要在貓或小鼠體內(nèi)存在, 負責附睪中脂質(zhì)轉(zhuǎn)移、腸首過代謝等, 而在人體內(nèi)表達較少。

因此, 臨床前研究時應充分考慮上述差異對藥物代謝的影響, 可重點參考非嚙齒類動物數(shù)據(jù), 以與人接近的靈長類動物最佳, 從而選擇合適的動物模型。

3.3 基因多態(tài)性和性別差異

CESs 是多基因家族酶系。近年來大量研究表明, 人體內(nèi)CES1 和CES2的表達水平存在個體差異, 影響藥物代謝動力學過程, 引起藥物療效改變甚至產(chǎn)生嚴重不良反應。

奧司他韋是無活性抗流感病毒前藥, 通過CES1代謝生成活性代謝產(chǎn)物。

由于CES1 是唯一參與其代謝的催化酶, 所以CES1 功能的改變是臨床奧司他韋治療差異的主要原因。

研究表明, 基因多態(tài)性在CES1 功能調(diào)控中發(fā)揮重要作用。

無論是CES1 蛋白質(zhì)表達還是對奧司他韋的催化活性都與rs2244613、rs8192935、-816A>C 或CES1P1/CES1P1VAR 等基因型密切相關。

例如, CES1 突變體G143E (rs71647871)是一個源于外顯子4由G替代A的非同義突變, 導致了143編碼位置甘氨酸變成了谷氨酸, 此變異最初見于鹽酸哌甲酯控釋片的代謝研究。

與143G/G 基因型相比, 基因型為143G/E 時約40%奧司他韋在肝內(nèi)水解, 基因突變改變了藥物在體內(nèi)的藥效與代謝特性。

體外CES1-轉(zhuǎn)染細胞研究結(jié)果顯示, G143E 的催化活性可改變多種CES1 底物的代謝, 包括奧司他韋、哌甲酯、氯吡格雷、沙庫比曲和血管轉(zhuǎn)化酶抑制劑。

臨床研究也證實, 哌甲酯治療注意力不足多動障礙癥 (ADHD) 時對G143E攜帶者所需的劑量明顯降低, 與非攜帶者相比氯吡格雷血漿中活性代謝產(chǎn)物水平和藥效顯著提高。

與 CES1 相似, CES2 基因多態(tài)性對藥物代謝也會產(chǎn)生顯著影響。

Song 等發(fā)現(xiàn), 利福平血漿藥物濃度的明顯差異與CES2 三個緊密相關的變異基因型 (C?2263a > G、c.269-965a > G和c.1612 + 136g > A)和c.1872 *302 _304 delGAA 有關。

隨著3 個緊密相關變異基因型的風險等位基因數(shù)目增多, 利福平平均血藥濃度顯著升高, 而隨著c.1872*302_304delgaa 風險等位基因數(shù)目增加其血藥濃度下降。

啟動子分析結(jié)果表明, 啟動子區(qū)變體c.?2263A > G影響了酶的轉(zhuǎn)錄。

A 到G 的改變可導致熒光素酶持續(xù)下降, 引起藥物代謝水平和血藥濃度的改變。

總之, CES1 的基因多態(tài)性可影響達比加群、哌醋甲酯、奧司他韋、咪達普利和氯吡格雷等多種藥物代謝; CES2 基因變異則會改變利福平、阿司匹林和伊立替康等藥物處置。

此外, CESs 新型基因突變體可預測嚴重的早發(fā)型卡培他濱毒性, 臨床治療意義重大。

雖然只是初步研究結(jié)果, 但也提示CESs 多態(tài)性在未來臨床應用中的意義。

以往臨床研究中, 多個CES1 底物的藥代動力學特征都顯示出性別差異, 包括洛伐他汀、辛伐他汀、哌甲酯和奧司他韋。

文獻曾報道, 奧司他韋服藥女性肝中CES1 蛋白表達比男性高17.3%, 同時女性肝內(nèi)活化速率也較男性高27.8%, 導致藥代特性發(fā)生改變。

研究也曾報道單劑量給藥(0.3 mg·kg-1) 消旋哌甲酯后, d-哌甲酯的AUC 值男性明顯高于女性。

雖然大量臨床研究表明了CESs 的性別差異, 但是分子機制與應用還有待深入研究。

此外, 疾病也會影響CESs 的表達, 如CES1 與CES2 在LPS 誘導的免疫性肝損傷中表達降低。

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結(jié)語

隨著酯類前藥的大量出現(xiàn), 藥物在機體的處置過程及代謝特征成為值得關注的熱點。

對于親脂性強、水溶性差的化合物, 非CYP 介導酶(UGTs、酯酶和醛氧化酶等) 可能成為主要代謝酶。

其中CESs 更是酯類藥物水解的關鍵酶, 其在體內(nèi)分布廣泛, 底物廣泛而多樣, 作用機制復雜, 具有基因多態(tài)性。

藥物經(jīng)過CESs 代謝后可導致活化或失活, 也常被認為是一種解毒機制。

除此之外, CESs 還可與有機磷酸酯類化合物(organophosphorus compounds, OPs) 以化學計量方式相互作用導致OPs 失活, 可用于減緩OPs的毒性, 保護環(huán)境安全。

雖然目前CESs 的研究與日俱增, 但是有關種屬差異、性別差異的機制與應用還有待深入研究。

因此, 充分了解CESs 的作用機制與生物學特性在藥物代謝動力學和藥物?藥物相互作用中具有重要意義, 并可在新藥設計與研發(fā)中提供指導。

說明

來源：藥學學報Acta Pharmaceutica Sinica 2018, 53 (2): 186 ?191

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