细胞色素P450(cytochrome P450, CYP450)，又称混合功能酶和单加氧酶，是广泛存在于生物体内的一组结构和功能相关的超家族基因编码的含铁血红素同工酶，因还原型细胞色素P450与一氧化碳复合物在450nm处有一吸收峰，故命名为CYP450^[1]。CYP450在内源性(如脂肪酸、类固醇、前列腺素和胆汁酸等)和外源性物质(如药物、环境致癌物和食品添加剂等)的代谢过程中，具有重要作用^[2]。据统计，临床上使用的80%以上的普通处方药都需要通过CYP450系统进行生物转化^[3]。此外，许多CYP450还参与癌症治疗药物^[4]和抗精神病药物^[5]前体的激活。

近二十年来，人们在CYP450药物基因组学领域的研究取得了很大的成就，所有与药物代谢相关的CYP450主要家族成员都已经得到了鉴定。同时，人们也已经认识到CYP450存在广泛的基因多态性是造成药物反应个体差异的主要原因。本文主要对近年来CYP450基因多态性和药物代谢的研究进展进行综述，为临床医生更加合理的用药，避免药物不良反应，降低患者治疗成本以及新药研发提供科学参考依据。

1 CYP450概述

CYP450是由许多微粒体和线粒体亚铁血红素-硫酸盐蛋白组成的古老的超家族，广泛存在于细菌、真菌、植物和动物体内。对于哺乳动物，CYP450主要存在于肝脏。自从1958年，Klingenberg在小鼠和猪的肝微粒体中首次发现CYP450以来^[1]，到目前为止，已测序和命名了三千多个CYP450基因。根据氨基酸序列的同源性，CYP450超家族依次分为家族、亚家族和亚型。同一个家族的CYP450氨基酸序列同源性在40%以上，以CYP后加一位阿拉伯数字表示，如CYP1；亚家族由氨基酸序列同源性大于55%的酶组成，以在家族表达式后面加大写字母表示, 如CYP1A；每一种亚家族中的亚型则在该大写字母后面再加上阿拉伯数字，如CYP1A1^[6]。

人类编码CYP450的基因也已经基本明确，包括57个活性基因和58个假基因，分为18个家族和44个亚家族^[7]，具体见表 1。另外，在各基因间还存在着大量的等位基因。其中，涉及药物代谢的CYP450主要包括CYP1、CYP2和CYP3家族中CYP1A2、CYP2C9、CYP2C19、CYP2D6和CYP3A4等5种重要的亚型，介导70%~80%所有依赖Ⅰ相代谢的临床药物的代谢以及65%~70%临床使用药物的清除，并参与大量外源性化学物质和某些内源性物质的代谢^[8]。编码CYP450 1~3家族的基因存在基因多态性，涵盖了大约50%的CYP450等位基因^[9]。在不同种族、不同地区和不同人群中，这些等位基因的分布频率并不相同，最新的信息可以去人类细胞色素P450等位基因命名网站查询(http://www.cypalleles.ki.se/)。这种广泛存在的CYP450基因多态性导致个体差异明显的表型多态性，是不同种族和不同人群药物代谢速率存在个体差异的主要原因^[10]。根据药物代谢能力的不同，临床病人共有四种代谢表型。超强代谢型(ultrarapid metabolizer, UM)：携带3个或更多个功能正常的野生型等位基因，其编码的酶代谢功能超强，在人群中占1%~10%。这类人群若给予标准剂量，则不能获得预期的效果，必须适当增加剂量。强代谢型(extensive metabolizer, EM)：由两个野生型或两个功能正常的等位基因编码的酶活性正常表型，占人群的75%~85%，这类人群在标准剂量时即有较好的疗效。中间代谢型(intermediate metabolizer, IM)：携带一个野生型和一个变异型等位基因；或一个有活性、一个无活性；或一个无活性、一个有部分活性的基因编码的代谢酶，功能略有减弱，占人群的10%~15%，弱代谢型(poor metabolizer, PM)：携带有两个变异等位基因而使酶活性降低或缺失，占人群的5%~10%。这类人群因代谢受阻，药物易蓄积体内而引发中毒，故必须适当减量或更换其他药物。

此外，CYP450基因多态性还与许多肿瘤疾病的易感性有关^[11]。因为很多CYP450参与一些前致癌化合物在体内的活化，由于基因突变导致CYP450相应代谢功能增强，从而增加了个体罹患癌症的几率。

2 CYP450基因多态性和药物代谢 2.1 CYP1A2

CYP1A2基因位于人的第15号染色体上，包含6个内含子和7个外显子。不同个体间，肝脏CYP1A2 mRNA和蛋白表达量差异在15~40倍之间^[12]，并且男性CYP1A2活性明显高于女性。在不同种族人群中，CYP1A2活性亦不相同。研究表明，瑞典人的CYP1A2活性是韩国人的1.5倍^[13]，亚洲人和非洲人的CYP1A2活性明显低于白种人^[14]。此外，环境因素也会造成个体间CYP1A2活性的不同，比如吸烟、服用奥拉美唑等药物和食用十字花科蔬菜会诱导CYP1A2活性增强，口服避孕药则可降低CYP1A2活性。但是，35%~75%的CYP1A2个体差异是由于基因遗传因素造成的^[15]。

到目前为止，共有41个CYP1A2等位基因突变和一系列的亚突变体得到鉴定。其中，研究最多的是CYP1A2^*1C (-3860G>A)，CYP1A2^*1D (-2467缺失T)，CYP1A2^*1E (-739T>G)和CYP1A2^*1F (-163C>A)。由于可以降低酶的表达水平，在吸烟人群中，CYP1A2^*1C可以降低香烟对CYP1A2活性的诱导。而CYP1A2^*1F则可以增强一些诱导剂对CYP1A2活性的影响。不同种族人群中，等位基因的突变频率并不相同。在日本人群中，CYP1A2^*1C突变频率为23%, 在中国人群中则为22%。CYP1A2^*1K突变频率在埃塞俄比亚人群中为3%，在沙特阿拉伯人群中为3.6%，在西班牙人群中则为0.5%^[16]。在已报道的CYP1A2等位基因突变中，除了已知CYP1A2^*1K、CYP1A2^*3、CYP1A2^*4、CYP1A2^*7、CYP1A2^*11、CYP1A2^*15和CYP1A2^*16可以降低CYP1A2的活性外，有关CYP1A2其他等位基因多态性对酶活性的影响还有待进一步研究。

2.2 CYP2C9

CYP2C9基因位于人的第10号染色体上，包含8个内含子和9个外显子。目前，共鉴定了60个等位基因突变和一系列的亚突变体，以野生型等位基因CY92C9^*1最为常见。不同种族人群中，CYP2C9表达存在明显的差异。研究表明，CYP2C9在95%以上的非洲人和亚洲人以及60%以上的白种人中主要是野生型CY92C9^*1，30%以上的白种人中表达CY92C9^*1和^*2或CY92C9^*1和^*3杂合子基因型。第一个被鉴定的等位基因突变是CY92C9^*2(430T > C), 导致对一些底物活性的降低，如S-华法林和甲糖宁^[17]。CY92C9^*3(1075A > C)是突变率最高的一种突变体，由于氨基酸的改变导致酶的活性显著降低，从而降低对甲苯磺丁脲等苯妥因等相应药物的代谢能力。CY92C9^*4(1076T > C)突变体非常稀少，至今只在一位日本患者中发现，该患者对苯妥英的代谢能力显著低于CYP2C9^*1野生型携带者。CY92C9^*5(1080C > G)只见于非裔美国人，大约3%的非裔美国人携带有该突变体。不同于CY92C9^*2和CY92C9^*3，CY92C9^*5通过影响各种药物的米氏常数，进而降低酶的代谢速率，增加K_M值^[18]。CY92C9^*6(10601缺失A)是一个无效等位基因，由于碱基缺失，导致氨基酸序列移码，致使酶活性完全丧失。CY92C9^*13(3276 > C)发现于一个氯诺昔康弱代谢型中国患者，研究发现大约3%的中国人群携带此突变体。氯诺昔康在这类人群中的半衰期长达105小时，显著长于CYP2C9野生型等位基因携带者^[19]。CYP2C9^*14-CYP2C9^*60^[20]均包含一个等位基因突变，由于其中很多等位基因突变比较罕见，目前针对这些等位基因突变对药物代谢表型影响的研究还比较少，这里不做过多陈述。

2.3 CYP2C19

CYP2C19基因位于人第10号染色体上，包含9个外显子和5个内含子，该区域还包含CYP2C8、CYP2C9和CYP2C18基因。目前，共鉴定了35个等位基因突变和一系列的亚突变体。CYP2C19^*2A (681G > A)是第一个被发现的CYP2C19等位基因突变体，由于该突变发生于5号外显子，导致剪接缺陷，使得CYP2C19活性完全丧失^[21]。在中国人群和白种人群中，75%~85%的弱代谢型携带者都与该突变体有关。CYP2C19^*2B、CYP2C19^*2C、CYP2C19^*3A和CYP2C19^*3B同CYP2C19^*2A一样都是无效突变，使得酶活性完全缺失。有研究报道，携带CYP2C19^*2或CYP2C19^*3的消化道溃疡患者与高纯合子患者使用同剂量的兰索拉唑治疗时，前者疗效明显好于后者。这可能是由于酶失活导致药物在体内的清除率降低，血液当中维持较高的药物浓度造成的^[22]。另外，CYP2C19^*4、CYP2C19^*5、CYP2C19^*6、CYP2C19^*7和CYP2C19^*8等位基因突变体都由于编码氨基酸发生改变，从而导致酶活性显著降低甚至丧失。但是这些突变属于罕见的CYP2C19等位基因突变，因此，在临床上不会造成大范围的影响。CYP2C19^*17是众多CYP2C19等位基因中，唯一具有超强代谢活性的突变体。由于突变位点增强了基因启动子的活性，从而使得突变体的转录活性高于野生型CYP2C19^*1^[23]。CYP2C19^*35是最新报道的等位基因突变体，在2号内含子发生了核苷酸碱基突变，造成剪接缺陷，从而造成酶活性显著降低^[24]。

CYP2C19等位基因在不同种族的人群中分布差异很大，例如CYP2C19^*2在非洲裔美国人群中的频率为17%，在中国人群中为30%，在白种人群中则为15%。CYP2C19^*3在中国人群中的频率为5%，显著高于非洲裔美国人的0.4%和白种人群的0.04%。其他一些罕见等位基因突变的分布亦表现出明显的种族差异，CYP2C19^*4和CYP2C19^*5在中国人群中的频率非常低( < 0.5%)；非洲裔美国人群中，CYP2C19^*9、CYP2C19^*10、CYP2C19^*12至CYP2C19^*15出现的频率则非常低。已有报道，CYP2C19^*17在中国人群、瑞典人群和埃塞俄比亚人群中出现的频率为4%~19%。此外，CYP2C19^*6至CYP2C19^*15，至今尚未在亚洲人群中检测到。

2.4 CYP2D6

CYP2D6基因位于人类第22号染色体上，包含9个外显子和1个阅读框架。CYP2D6基因具有广泛的基因多态性，其等位基因突变体数量是CYP450超家族中最多的。目前，已经鉴定报道了109个CYP2D6等位基因突变体，包括单碱基的改变、片段插入或者缺失，甚至整个基因的缺失和重复。因此，由CYP2D6代谢的药物代谢类型在人群中也有明显的差异，包括超强代谢型、强代谢型、中间代谢型和弱代谢型。不同于其他CYP450家族成员，CYP2D6没有诱导剂。因此，不同个体间药物代谢能力的差异主要与CYP2D6基因突变有关。在众多CYP2D6等位基因突变体中，CYP2D6^*2、CYP2D6^*3、CYP2D6^*4、CYP2D6^*5、CYP2D6^*10、CYP2D6^*17和CYP2D6^*41等最为重要。其中，CYP2D6^*2和CYP2D6^*41通常携带有一个双拷贝或多拷贝(最高可达13)，从而使得酶活性显著增强。该突变频率在埃塞俄比亚人中最高(29%)，其次是沙特阿拉伯人(21%)，中国人约为0.4%~1.1%^[25]。CYP2D6^*3、CYP2D6^*4和CYP2D6^*5是CYP2D6主要的等位基因突变体并与弱代谢型有关，CYP2D6^*4主要存在于白种人群中，频率大约为20%~25%并且70%~90%的弱代谢型都是由它引起，而在黄种人中发生频率只有大约1%甚至更少。CYP2D6^*10在亚洲人群中的频率约为50%，由于碱基突变造成氨基酸的改变，使得酶不能正常折叠，从而降低了对底物的亲和性。它对可卡因、S-氟西汀、丙咪嗪和奎尼丁等药物的代谢速率只有CYP2D6^*1野生型的1.32%~27.9%^[26]。CYP2D6^*14最先在中国人群中发现并且只存在于亚洲人群中^[27]。由于突变造成4个氨基酸的替代(P34S, G169R, R296C和S486T)，从而造成酶活性丧失。CYP2D6^*17等位基因突变主要存在于黑种人群中，核苷酸碱基突变造成三个氨基酸发生了改变(T107I, R296C和S486T)。同野生型相比，CYP2D6^*17活性显著降低，它对可卡因、S-氟西汀、丙咪嗪和奎尼丁等药物的代谢速率只有野生型的7.3%~80.4%^[26]。

2.5 CYP3A4

CYP3A4基因位于人第7号染色体上，包括13个外显子和12个内含子。迄今为止，共鉴定出了26个等位基因突变体及一系列亚突变体。CYP3A4^*1B是第一个被报道的等位基因突变，其发生频率在白种人群中为2%~9%，非洲人群中为35%~67%，中国人群中则未发现^[28]。最新的研究表明，该突变不会对酶活性造成影响，所以并无实际意义。CYP3A4^*1G则是一个具有功能意义的突变，由于氨基酸的改变导致酶活性降低，该突变在中国人群中的发生频率较高，达22.1%~37%^[29]。CYP3A4^*4、CYP3A4^*5和CYP3A4^*6等位基因突变同样由于氨基酸发生替换或者移码，从而导致酶活性降低，这三个等位基因突变在中国人群中出现频率为0.5%~1.5%^[30]。CYP3A4^*7至CYP3A4^*17等位基因突变则因为发生碱基插入，导致酶活性完全丧失。CYP3A4^*18则是唯一一个增加酶活性的等位基因突变，该突变在白种人中未发现，但在中国人群中发生频率为10%^[31]。CYP3A4^*26是目前为止最新报道的等位基因突变，发现于一个19岁的肾移植患者。由于在5号外显子发生终止密码子突变，造成酶活性完全丧失^[32]。

由于大多数CYP3A4等位基因突变没有功能意义或是比较罕见，因此，CYP3A4基因多态性并不能完全解释个体间CYP3A4的显著代谢差异。一种可能的解释是CYP3A4转录表达受孕烷X受体基因调节，研究表明该基因存在着多态性，从而引起CYP3A4表达水平的改变^[33]。

重要的CYP基因染色体分布及基因多态性见表 2。

3 展望

不同病人对同一种药物代谢能力的差异是临床上极度困扰医生的一个普遍问题，这种药物代谢差异受多种因素的影响，包括年龄、种族、身体状况、基因和环境等。CYP450是人体参与药物代谢最重要的一种酶，越来越多的研究已经证实，不同种族、人群CYP450基因多态性是造成临床不同个体间药物代谢差异主要的原因之一。

近十多年来，人们在CYP450药物基因组学研究方面取得了很大的进展。但是我们也应该清醒地认识到，个体化用药在国内的发展还存在很多问题：一是目前针对CYP450基因多态性的研究虽然取得了很大成果，但其可应用的药品数量同临床大量使用的药物相比，仍存在不小的差距，这也在一定程度上限制了个体化用药的推广。二是临床批准使用的个体化用药基因检测试剂盒还比较少，不能满足需要。三是很多医院并没有开展相关业务或者没有开展相关业务的能力。四是病人接受程度不高并且检测费用偏高。要想在临床上真正实现个体化用药，还有很长的路要走。

令人欣慰的是，政府已经认识到这些存在的问题并采取了一系列措施，特别是2015年7月，国家卫计委颁布了《药物代谢酶和药物作用靶点基因检测技术指南(试行)》和《肿瘤个体化治疗检测技术指南(试行)》，有力地促进了我国个体化用药的实施进程。在不久的将来，随着对CYP450基因多态性和药物代谢研究的更加深入和全面，个体化用药必定会在临床全面实现。