摘要
人类基因组编码57个细胞色素P450基因，其酶产物代谢数百种药物，数千种异种生物，以及未知数量的内源性化合物，包括类固醇，类维生素a和类二十烷酸。事实上，P450基因是对抗日常环境化学挑战的第一道防线，与免疫系统类似。研究人员查询了美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)的几个数据库，包括PubMed、AceView和Ensembl，以建立完整的人类P450转录组的综合分析。这篇综述描述了57个人类P450基因的显著多样化，这些基因可能被交替加工成近1000个不同的mRNA转录本，以形成个体的P450蛋白质组。来自家族1A、1B、2C、2D、3A、4F、19A和24A的重要P450剪接变体现已被记录，其中一些显示出与疾病病理直接相关的替代亚细胞分布或催化功能。P450转录本多样性的扩增涉及组织特异性剪接因子、转化敏感交替剪接、反式基因转录本之间的剪接，单核苷酸多态性和交替剪接的表观遗传调控。变异P450表达的稳态调控也受到核受体信号、抑制无意义介导的衰变或过早终止密码子、线粒体功能障碍或宿主感染的影响。这篇综述的重点是适应性基因剪接过程的新兴方面，当通过p450 -核受体基因相互作用的镜头观察时，它类似于一个原始的免疫样系统，可以快速监测、响应和多样化以适应内源性外生暴露的波动。从这篇综述中获得的见解应该有助于未来的药物发现和改善个性化药物方案的治疗管理。
介绍
人类基因组序列的绘制工作已于2001年完成(Lander等人，2001年)，有助于开创个性化医疗的“后基因组时代”。然而，十多年后，药物基因组学(PGx)的前景还没有完全实现，人类基因组的组成仍然是谜，因为它的内容和组织的复杂性存在着许多问题。例如，一个只有22,000个基因的基因组如何能产生超过200,000个不同蛋白质的蛋白质组?虽然转录是一个相对较好理解的现象，但涉及调节替代前体或未加工的信使RNA (pre-mRNA)剪接的机制，转录组和蛋白质组扩展背后的驱动力，仍然很少得到重视。将单个基因与其全套RNA转录本和多肽产物连接起来的能力将提高我们评估其在生理和病理条件下作用的功能性质的能力(La Cognata等人，2014年)．在蛋白质组扩展的基础上的交替剪接机制的光谱涉及到七种主要剪接类型的使用，如前所述(布兰考2006；罗伊等人，2013年)．这些机制的分子基础是复杂的，超出了这篇综述的范围;然而，对这一现象及其主要参与者的简要描述在补充材料中提供(见补充图1)．在这里，我们将主要关注由替代转录本剪接诱导的表型结果的频谱，以突出在细胞色素P450 (P450)超家族中操作的剪接敏感特征的序列，该家族由57个人类基因组成，协调药物和内源性异种生物的代谢。
这项工作将新的注意力集中在替代P450基因剪接的生物学影响上，这是I期药物代谢的一个被低估的组成部分，可能会使个性化的药物方法复杂化或破坏。亚博体育app因此，通过遗传学的普遍应用，精准医疗仍然面临着许多挑战，超出了成本、伦理考虑以及对额外的全基因组序列的需求。除了人类基因组计划外，现在已经开发了多种资源来应对这些挑战，包括:单核苷酸多态性项目，该项目可以实现>10万个SNP的单核苷酸多态性(SNP)阵列;1000个基因组计划;非编码rna的ENCODE项目;国家人类基因组研究所(NHGRI)全基因组关联研究(GWAS)目录。GWAS现在已经确定了两个P450s，它们代表疾病或药物反应表型的生物标志物，包括:1)CYP2C8与多发性骨髓瘤中双膦酸盐相关的颌骨骨坏死(sarasquette et al.， 2008);2) CYP2C19与氯吡格雷作为抗血小板药物的个体间变异相关(Shuldiner等人，2009年)．除了显示出强烈的相关性外，这类药物遗传学生物标记物很少成功地从发现过渡到临床实践(卡尔等人，2014年)．许多GWAS研究未能提供预后价值，因为它们没有设计来评估细胞和环境剪接因素对变异基因表达的影响。在这方面，我们觉得需要对替代拼接的复杂性有一个新的认识。因为编码和非编码RNA的世界不仅比我们十年前所能想象的更加多样化和复杂，而且它充满了数不清的RNA“暗物质”和RNA世界的其他遗迹，在安全构想新的指导“个性化医疗”的正统之前，必须充分理解和分类它们的结构和功能。圣罗兰等，2014年；考伊等人，2015年)．
细胞色素P450超家族中选择性基因剪接的元分析
由组织特异性因子调控的选择性剪接是适应生理需求的一种手段。组织特异性剪接变异可能源于组织特异性启动子元件(Wiemann等人，2005年)或组织特异性剪接调控元件(黑色,2000)．外显子和内含子的定义需要相互作用的离散独联体-具有组织特异性的元素(外显子剪接增强子、外显子剪接沉默子、内含子剪接沉默子和内含子剪接增强子)，反式-作用，剪接调节因素。通过这种方式，相同的pre-mRNA转录本可以被加工成组织特异性的、交替剪接的形式(Wang和Burge, 2008)．细胞色素P450基因超家族已从多个角度得到很好的研究(Guengerich 2013；约翰逊和斯托特，2013；皮库列娃和沃特曼，2013年)．截至2015年底，PubMed列出了超过23,790篇引用人类P450基因的引用(根据GeneCards.org)，其中大部分工作都集中在个体参考形式的组织特异性表达或催化功能上。P450s的选择性剪接也得到了20多年的充分研究;然而，P450剪接变异的结构和功能多样性，以及它们与人类健康和疾病的关系，仍然知之甚少。一个已知的与人类疾病相关的P450剪接变异的摘要在表1．来自试图综合替代P450剪接的全球观点的小组的报告，以及它与我们在PGx或个性化医疗背景下对人类代谢的理解的相关性，是极其罕见的(纳尔逊等人，2004年；Turman et al.， 2006)．
我们的综述使我们得出结论，仅以GWAS为基础的个性化医学方法可能具有误导性，因为它们未能解释代偿剪接机制的可变性，而代偿剪接机制可以调节一些高穿透性突变的表达。这一现象的例子是个体发生调节因子，可以掩盖发育调节P450基因之间遗传变异的生理影响(海恩斯和麦卡弗，2002年)．为了扩展这一概念，并探索替代剪接产品的阵列，作为预测疾病的改进平台，其基础是功能基因组，我们注释了目前在NCBI的PubMed, AceView和Ensembl数据库中列出的所有已知的人类P450剪接变体(蒂埃里-米格和蒂埃里-米格，2006年；坎宁安等人，2015)截至2015年底。从这个计算荟萃分析中，我们发现57个人类P450基因产生了一个P450“转录组云”，由至少965个独特的mRNA转录本组成(表2)．这个数字代表了所有已知的参考(或野生型)和变异P450 mrna，包括一些保留内含子、过早终止密码子(ptc)和那些受无意义介导的衰变(NMD)影响的mrna;我们还纳入了一些在pubmed列出的引文中描述的实验衍生转录本(通过搜索CYP*或P450剪接变体或替代CYP*或P450剪接来识别)，这些转录本在AceView或Ensembl数据库中没有表示。
我们的结果近似于P450基因平均编码近20个独特的mRNA转录本，能够产生参考和剪接变异蛋白，以及非编码RNA分子的集合。根据AceView和Ensembl数据库使用的最严格的表达标准(表2)．GeneCards.org网站的后续分析显示，57个人类P450基因与超过48384个SNPs相关，接近于每个P450基因大约850个突变(Stelzer et al.， 2011)．尽管大多数P450s属于这种遗传变异的一般范围，但一些，包括CYPs 2C19, 5A1, 19A1和39A1，表达的SNPs是平均水平的两倍多，这表明积累过程是非随机的(表2)．与57种人类基因(1057种)相关的疾病总数也通过MalaCards人类疾病数据库(Rappaport等人，2014)．P450家族1(203)和2(413)占总疾病关联的一半以上，而孤儿P450 CYP20A1(1)和CYP39A1(2)与疾病关联最少。
图中显示了57个人类P450基因中每个P450基因的备选P450剪接变异和snp的总数的并排雷达图比较图1．药理学上相关的药物靶点，如CYP2C9、CYP2D6、CYP3A5、CYP11A1和CYP19A1，都属于高度剪接的P450基因，其中大多数也受P450的影响反式剪接事件。虽然基因组织或细胞特异性选择压力的差异可能在这一现象中发挥作用，但我们的观察表明，根据患者个体P450转录组的知识得出的药物剂量指南可能远远优于仅由基因分型得出的指南，因为SNP方法可能倾向于夸大(或过度简化)点突变对基因功能的生物学影响。虽然计算研究表明85%的人类mRNA来自单一的主要转录本(Gonzàlez-Porta等，2013)， P450基因超家族在基因组水平上是高度多样化的，这使得它对改变遗传和表观遗传信号级联的生物输出的交替剪接事件特别敏感。核受体现在被认为在介导全局基因剪接事件中的作用(Auboeuf et al.， 2005)，一个关于这一过程如何调节药物代谢的改进框架似乎是有序的，一个可以潜在地重新背景化复杂的代谢串扰网络的效用和复杂性，该网络是人类运作的48个核亚博体育app受体(NR)信号通路的基础(梅耶,2007；Tralau和Luch, 2013)．
完整的人类细胞色素P450转录组和单核苷酸多态性总数的比较分析。基于NCBI的Ensembl、PubMed和AceView数据库和GeneCards.org网站的信息荟萃分析，显示了57个人类细胞色素P450基因中每个(A)人类P450转录本变异的总数和(B) snp的雷达图比较。本研究中鉴定的单个P450基因的总转录变异(粉红色)叠加在AceView数据库中单独列出的当前数字(紫色)上。我们发现的变异数的扩展突出了预测多态P450基因剪接的个体间可变性的挑战，基于现有的转录本数据库。根据GeneCards.org的报告，对人类总snp的雷达图比较显示，CYP5A1(或血栓烷合酶1)是最具多态性的P450基因(5274)，而CYPs 2C19(2467)、7B1(3400)、19A1(2178)和39A1(2129)的多态性率高于平均P450基因(每个基因约850个突变)。(C)每个基因的P450转录- snp比值的柱状图显示在底部。CYP2E1具有24个转录变异体，snp数量最少(33个)，在人类P450基因中显示出最高的替代转录- snp比(0.73)。CYPs 21A2 (0.33)， 27B1(0.15)和CYP2D6(0.11)也高于正常水平(每个SNP的替代转录本为0.05)。改善对改变P450基因剪接的基于SNP的机制的理解将有助于识别新的SNP生物标志物，这些标志物可以预测药物相互作用和人类疾病。
此外，家族1-4的药物代谢P450s传统上被认为比代谢内源性胆固醇底物的P450s更具多态性，并被认为对基于snp的选择性剪接调节更敏感(Lewiñska等，2013)．根据我们的分析，大多数激素代谢P450s，包括CYP17A1(91个SNPs)和CYP21A2(173个SNPs)，似乎是最不具多态性的P450基因。如上所述，这些P450酶的突变与先天性缺陷密切相关，如假两性畸形和肾上腺增生(山口等人，1998年；Doleschall等人，2014)，而SNPs在这些系统中的耐受性可能较差，因为它们在性激素、孕激素和皮质激素的产生中起着核心作用。相比之下，在人类中组成P450家族1-4的35个药物代谢P450s平均每个亚型超过700个SNP，该组中25,659个多态性占P450 SNP总数的53%以上。尽管CYP2C9(1422个SNPs)、CYP2C18(1230个SNPs)和CYP2C19(2467)是最具多态性的药物代谢P450s，但它们的多态性远远低于CYP5A1(5274个SNPs)(代谢前列腺素)和CYP7B1(3400个SNPs)(将胆固醇转化为胆汁酸)等基因。CYP5A1也被称为血栓烷合成酶(TBXAS1)，一种功能独特的P450，催化其底物的分子重排(Hecker和Ullrich, 1989)．基于cyp5a1的snp代表了人类所有P450多态性的10%以上，并被认为可以改变血液和肺细胞中的组织特异性剪接(王等，1994)，以及促进替代外显子12包合以促进脑血管疾病(Kimouli等人，2009年)．在人类P450基因中，CYP2E1显示出最少的snp数量(33)和最高的替代转录- snp比(0.73)图1)．CYPs 21A2 (0.33)， 27B1(0.15)和CYP2D6(0.11)也高于正常P450超家族基因，平均替代转录- snp比值为0.05。因此，提高对关键snp如何与环境相互作用以改变个体P450基因剪接结果的理解，可能对提高基于基因筛查的个性化医疗的预测能力非常有帮助。
因此，一些SNPs通过调节选择性剪接事件来改变基因功能，但从进化的角度来看，如果它们没有在替代表型中表现出来，那么种群中的总数量可能是不相关的。此外，有趣的是，一些类固醇激素代谢P450s，包括CYP7B1(3400个SNPs)， CYP19A1(2178个SNPs)和CYP39A1(2129个SNPs)与所有其他人类P450s相比，显示出不比例的多态性，这重申了P450基因之间的SNP扩展既不是随机的，也不是基于个体P450的组织特异性表达或底物选择性的可预测的可能性。关于snp的积累，更重要的是它们通过替代或被沉默或掩盖的能力反式-使它们在自然选择过程中不可见或无关紧要的剪接范式。P450相关SNP的缺陷性质可能取决于它操纵P450转录组的能力;因此，提高对关键突变如何改变P450基因剪接结果的理解，对于在后基因组时代实现精准医疗的目标可能至关重要。
细胞色素P450基因的组织特异性选择性剪接:历史观点
在20世纪80年代末和90年代初，一些研究小组开始认识到差异RNA剪接可能作为调节P450功能的额外模式的可能性。1987年，第一个P450剪接变异的肝P450-1，后来改名为CYP2C8，被报道(Okino等人，1987年)．在接下来的十年中，对几种人类p450的交替剪接的几个例子被记录下来，包括肺CYP4F2 (Nhamburo等人，1990年)和肝脏CYP2B6 (迈尔斯等人，1989年；Yamano等人，1989年)及CYP2A7 (丁等，1995)．在后一种情况下，记录了一种组织特异性的替代剪接效应，其中仅在20%的肝脏样本中发现的44-kDa CYP2A7-AS剪接变体(与49-kDa野生型蛋白相比)是人类皮肤成纤维细胞中表达的主要蛋白。仅仅两年后，类似的选择性剪接行为模式被记录在CYP2C18上，它选择性地编码剪接变体，跳过表皮中不同的外显子4,5,6,7的组合(Zaphiropoulos 1997)．从外显子4-7的跳过片段的供体和受体位点合成的环状RNA转录物也有记录，尽管这类RNA的表观遗传功能尚不清楚(Salzman et al.， 2012)，由于它们的稳定性增强，因此很容易被发现(Zaphiropoulos 1997)．在这一时期，也进行了一些重要的研究，重点是在大鼠2A家族的异种生物代谢P450s中进行环境响应性的替代P450剪接(Desrochers等人，1996年)．
到1999年，CYP2C18选择性剪接的故事变得更加复杂，因为人们发现，与CYP2C9聚在染色体10q24上的CYP2C18和CYP2C19也参与了组织特异性、反式-剪接事件，在三个基因中(Zaphiropoulos 1999)．在接下来的十年中，负责指导P450s(和其他基因)复杂的转录后基因组装的细胞特异性剪接因子被确定(Wang和Burge, 2008)．然而，更不寻常的P450剪接变体和嵌合形式的生理重要性尚不清楚，特别是关于其可变的组织特异性表达如何改变个体间对激素、药物和异种生物制剂的敏感性。
如上所述，仅基于关键基因剪接机制表达的组织特异性差异(例如，小核RNA (snRNAs))，单个P450基因可以被翻译成多个不同的蛋白质序列。在人脑组织中发现的几个交替剪接的CYP1A1转录本证明了这一现象，以及组织特异性剪接体活动的概念(鲍尔等人，2007年)．诱导型CYP1A1在大脑中构成性表达，定位于皮层、小脑和海马体中的神经元。在大脑特异性CYP1A1形式中观察到外显子6的87 bp缺失，但在肝脏中没有(Chinta等人，2005年)．表达Δexon6-CYP1A1变异的人脑组织不表达野生型CYP1A1，它们代谢已知底物[例如，苯并氧基间苯二酚和苯并(a)芘(BP)]的速率与野生型酶(Kommaddi等人，2007年)．此外，表达野生型CYP1A1的细胞通过形成反应性3-OH-BP产物产生DNA加合物，而在大脑中表达Δexon6-CYP1A1变体的细胞则不会(Kommaddi等人，2007年)．
在对CYP1A1进行结构分析的基础上图2(来源于PDB: 4I8V;沃尔什等人，2013)，组织特异性的外显子6的选择性剪接可能重塑CYP1A1底物接入通道的大小和极性，从而改变底物招募和识别过程以及氧化还原-伙伴结合相互作用。CYP1A1的外显子6似乎是为大脑中的“即插即用”利用而组织的，其中靶向跳过不会损害整体P450倍，但会改变包括睾酮在内的内源性底物谱的底物特异性。CYP1A1的这种组织特异性外显子6的使用是由在人类内皮细胞、白细胞和肿瘤细胞中发现的类似的替代外显子2的使用模式补充的(Leung等，2005，鲍尔等人，2007年)．如图2， CYP1A1外显子2中84 bp隐内含子的靶向跳跃产生了具有催化作用的独特剪接变体，雌二醇代谢降低，定位于细胞核和线粒体，而不是内质网(ER) (Leung等，2005)．在正常组织和肿瘤组织中发现的外显子2修饰的CYP1A1剪接变体在结构/功能和亚细胞分布方面所观察到的增加的多样性仍然是谜，这表明相对于三级结构，其结构可塑性比目前从野生型P450形式的经典结构研究中可能得到的或预期的更高水平(约翰逊和斯托特，2013)．
CYP1A1在人类中的组织特异性和转化敏感选择性剪接。CYP1A1在几乎身体的每个组织中都是可诱导的;然而，一种大脑特异性的CYP1A1剪接变体已经被发现，它优先跳过外显子6 (Kommaddi等人，2007年)．这种酶的缩短形式具有光谱活性，但不将苯并(a)芘代谢为大脑中的有毒代谢物。对CYP1A1晶体结构(PDB: 4I8V)的结构分析表明，去除外显子6(黄带部分)会:1)扩大pw2b底物接入通道的开口，2)通过改变配体结合袋(PDB: 4I8V)β1-4张，3)通过消除K '螺旋改变氧化还原伙伴结合表面。在肿瘤细胞中，CYP1A1中有类似的组织特异性、替代外显子2的使用模式(Leung等，2005)．卵巢癌细胞跳过CYP1A1外显子2中84 bp的隐式内含子，但仍在框架内，产生具有催化作用的独特剪接变体，雌二醇代谢降低，定位于细胞核和线粒体，而不是ER。外显子2中的隐式内含子去除消除了螺旋E、F和E - F环(透明的金色缎带所示)中的28个氨基酸残基，这可能扩大了位于血红素中心和螺旋I上方的pw3底物访问通道的开放。
也许最引人注目的，相互排斥的例子，组织特异性，交替外显子在P450s中使用的CYP4F3，它可以表达为两种不同的剪接变体形式(CYP4F3A和CYP4F3B)。这两种CYP4F3异构体的区别仅在于外显子3和4的可变使用，它们编码活性位点和底物访问通道的不同部分，允许它们微调底物特异性(圣诞等人，1999年，2001)．CYP4F3A在血液和骨髓骨髓细胞中表达，选择性表达盒式外显子4(而不是3)，对白三烯B(4) (LTB4)具有低亲和力。相比之下，CYP4F3B只在肝脏和肾脏中表达，编码外显子3(而不是4)，除了其他功能差异外，还对LTB4具有高亲和力。CYP4F3的高度协调、组织特异性剪接体现了模块化P450基因平台的功能效用，该平台允许细胞根据组织特异性生理应激条件对连续的基因产物进行采样。
然而，也应该清楚地注意到，并非所有P450基因都分为相同数量的编码区和非编码区，这表明内含子的积累可能是一个适应性和持续的过程。例如，CYP1B1基因编码P450酶，代谢外源性生物和内源性底物，仅包含两个编码外显子(补充图2)，因此，与其他CYP1家族成员1A1和1A2(有6个编码外显子)不同，它不受相同的选择性剪接模式的影响(Stoilov等人，1998年)．在这方面，研究最充分的CYP1B1剪接变体都代表严重的截断或缺失突变体，而不是外显子跳跃(Tanwar等人，2009年)，并且CYP1B1保留了一个不寻常的、细长的c端，进一步区别于其他人类P450形式。CYP1B1基因也是唯一位于2号染色体2p21-22位点上的基因，在人类中，该基因源自黑猩猩染色体2a和2b的古老融合(Faiq等人，2014)．很难推测为什么CYP1B1基因与位于15号染色体上的密切相关的CYP1A基因的组织如此不同。然而，将一组常见的核蛋白与选择性剪接过程和NMD联系起来的观察结果似乎表明，基因复杂性的扩大可能更多地与剪接体和核糖体处理给定mRNA转录的速率相关，而不是其他进化因素(Lejeune和Maquat, 2005；mcgllincey和Smith, 2009)。最终，驱动基因模块化组织变成可变数量的内含子和外显子的自适应力量仍然是一个推测点。然而，基因的内含子复杂性明显影响其对交替剪接事件和结构域交换范式的敏感性。替代启动子和非aug翻译起始位点的组织特异性使用也由这种隐藏的基因复杂性促进，它允许在一组定义良好的外显子和定义不明确的假外显子之间进行区分。
2005年，在人巨噬细胞中发现了一种截断的CYP24A1剪接变异，不能代谢维生素D的激素形式(Ren et al.， 2005)．CYP24A1是负责维生素D激素侧链切割的原型线粒体P450，它在其n端前30个残基中具有线粒体定位序列(Annalora等人，2004年)．在活化巨噬细胞中发现的CYP24A1剪接变体(CYP24A1- sv1)缺少153个由外显子1和2编码的n端残基，并通过内含子2的部分插入获得了外显子3内容之前的8个残基。CYP24A1- sv1被认为是一种可溶性变体，通过分离野生型CYP27B1和CYP24A1的关键中间体来破坏正常的维生素D激素代谢(Ren et al.， 2005)．在这方面，CYP24A1-SV1变体可能促进巨噬细胞中维生素D激素积累的离散模式，并可能促进其他组织，如肠道，其中维生素D激素从受刺激细胞的泄漏被认为有助于细胞外激素的爆发，如克罗恩病(Abreu等人，2004年；Mangin等人，2014)．CYP24A1-SV1变异体的结构分析见图3(基于PDB: 3K9V;安娜罗拉等人，2010年)，并强调了外显子1和2的n端残基的靶向损失如何重新配置膜结合表面和底物访问通道，从而改变野生型CYP24A1的催化性能。
人CYP24A1基因的选择性剪接:组织和肿瘤特异性外显子1、2和10包含。CYP24A1是一种线粒体P450，由11个编码外显子组成，代谢维生素D激素，以调节其在钙稳态、细胞生长和免疫调节中的作用。另外，已经鉴定出该基因的剪接转录变体，包括在巨噬细胞中特异性表达的CYP24A1剪接变体(CYP24sv) (Ren et al.， 2005)，跳过外显子1和2。这种含有372个氨基酸的变异蛋白(约43 kDa)缺少n端、A '、A、B和B '螺旋以及部分的β1片，但可能在某种程度上保留了结合血红素和底物的能力。Ren和合著者得出结论，CYP24sv代表一种具有显性阴性功能的细胞质变异，隔离25-羟基维生素D3和其他激素形式的维生素D，减缓它们在线粒体或内质网中的代谢速度。对CYP24A1 (PDB: 3K9V)的结构分析表明，CYP24sv独特的n端(来源于内含子2)重塑了pw2a底物的通路，并通过与螺旋F-G和螺旋的相互作用提供了封闭配体结合口袋的接触点β1,β4张纸系统。值得注意的是，CYP24A1外显子1和2的排斥在人类乳腺和结肠肿瘤中加剧，其中n端截断剪接变异约为40,42和44kda (Fischer等人，2009a；Horváth等，2010；Scheible等人，2014年)．另外一种与前列腺癌相关的CYP24A1剪接变体也被描述为完全跳过外显子10 (霍瓦特等人，2010年；Muindi等人，2007)．外显子10编码蛋白质的大部分近端表面，包括β1-3片，曲曲区，CYS环，L-helix的部分参与血红-硫代键的形成。缺乏外显子10的变体可能表达血红素和氧化还原伴侣结合的缺陷，从而产生另一种显性阴性形式，可能保留膜结合特征;外显子10的缺失也可以细化缺乏外显子1和2的细胞质剪接变体的替代功能。
有趣的是，CYP24A1的近亲孤儿P450 CYP27C1编码了一种372残基的野生型蛋白质，类似于CYP24A1- sv1。CYP27C1缺乏典型的n端，在典型螺旋C中间启动编码，位置类似于CYP24A1-SV1使用的替代起始位点(Ren et al.， 2005)．CYP27C1在肝脏、肾脏、胰腺和其他一些组织中表达，并在十多年来一直处于孤儿状态(Wu等，2006)，直到最近，它被证明可以调节维生素A1 (all-反式视黄醇)转化为维生素A2 (all-反式3,4-脱氢视网膜)的细胞培养(Kramlinger等人，2016)．有趣的是，CYP27C1可能代表CYP24-SV1所概括的更可溶性P450同型的编码版本，这种转变可能介导维生素a和维生素D底物特异性之间的一般转换。提高对CYP27C1结构/功能的认识有助于解开与P450变异调控相关的一些复杂性，特别是对于受非典型亚细胞转运事件影响的变异。
因此，尽管在文献中越来越常见，许多组织特异性P450变异的功能意义仍然难以捉摸。例如，CYP2C8在肝脏组织中以总P450的5-7%组成性表达，有超过20个已知的交替剪接变体，并且由于其在乳腺肿瘤中的高表达而成为乳腺癌生物标志物(Knüpfer等，2004)．据报道，CYP2C8和其他几种P450s(包括CYP1A1, 1B1, 2B1, 2E1和2D6)均可双峰靶向线粒体和ER。尽管选择性剪接在某些组织中指导了这一过程，但n端靶向序列的蛋白水解裂解也可以产生这一效应(Bajpai等，2014)．一个2C8变体(变体3;~ 44 kDa)的另一个n端靶向线粒体，在那里它可能有助于氧化应激(Bajpai等，2014)．这些无系链变异的催化能力仍然是一个激烈争论的话题，因为通常很难将一个孤儿功能分配给一个对基因原型底物失去选择性的变异蛋白。回顾P450剪接变体受交替亚细胞运输显示补充表1．计算分析来自AceView数据库(蒂埃里-米格和蒂埃里-米格，2006年)表明，除了ER、线粒体或细胞质中的经典靶点外，一些P450变体可能靶向于细胞核、过氧化物酶体、质膜或液泡区室。这一分析提示P450剪接变体，包括肿瘤特异性形式，可能正在执行一系列未被识别的功能，包括在细胞表面和细胞外的不同作用，这些作用很少被考虑(埃利亚松和肯娜，1996年；Stenstedt等人，2012)．
细胞色素P450超家族中的转换敏感选择性剪接
这种转化特异性的P450剪接现象于1996年首次被记录为原型P450, CYP19A1(或芳香化酶)，它通过雄激素A环的三次连续羟基化促进雌激素生物合成，并在人类乳腺肿瘤细胞和组织中显示一种独特的外显子1(和隐内含子)使用模式(Zhou et al.， 1996)．类似的CYP19A1外显子1变异表达模式在绵羊、牛和兔子中也有记录，这表明这种模式并不专属于人类或转化组织类型(Vanselow等人，1999年；Bouraïma等，2001)．最近，研究发现CYP19A1的外显子5的定义也很差，并且同时受到剪接突变和生理选择性剪接事件的影响(Pepe等人，2007年)．跳过外显子5，编码完成α-螺旋D和E在CYP19A1，消除原型P450芳香化酶活性的类固醇和非类固醇组织(Lin et al.， 2007；Pepe等人，2007年)．这些观察结果表明，在人类外显子5包合的基础上，芳构化存在组织特异性的调节机制。该CYP19A1剪接变体的结构分析描述在补充图3(基于PDB: 3S79;高希等人，2012年)．在芳香化酶中，外显子5跳变通过重新定义底物识别的决定因素自然抑制雄激素代谢。虽然转染研究表明CYP19A1变异蛋白被编码且不受NMD影响，但它们改变几种CYP19A1(芳香化酶)抑制剂药物[例如，Arimidex(阿那曲唑)、Aromasin(依西美坦)、Femara(来曲唑)和Teslac(睾丸内酯)]的安全性和有效性的能力尚不清楚(哈德菲尔德和纽曼，2012)及一个积极调查的范畴(Liu等，2013a；刘等，2016)．
上述讨论的CYP24A1的组织特异性、替代起始位点的使用似乎在几种人类转录变异中加剧，其中已鉴定出一系列约40,42和44 kDa的截断剪接变异与类似的n端修饰(Fischer等人，2009a；Horváth等，2010；Scheible等人，2014年)．另外还有一种与癌症相关的CYP24A1剪接变体，它可以完全跳过外显子10 (Muindi等人，2007；霍瓦特等人，2010年)．在CYP24A1中，外显子10编码蛋白质的大部分近端表面，包括CYS环，螺旋L的一部分参与血红素硫代键的形成和肾上腺素还蛋白的识别(如图所示)图3)．尽管这种癌症特异性变异的功能尚不清楚，但与截断的变异(略过外显子1和2)相比，它可能降低了结合血红素和氧化还原伙伴的能力，因此可能代表了另一种显性阴性变异，也能够调节维生素D激素代谢和质膜水平的代谢物运输。如前所述，巨噬细胞中调节CYP24A1选择性合成的细胞机制尚不清楚，尽管剪接因子的细胞特异性变异(例如，异质核糖核蛋白A1)被认为是负责的(Ren et al.， 2005)．在人类前列腺肿瘤中也发现了一种更复杂的“转化敏感”CYP24A1基因剪接模式(Muindi等人，2007)、乳房(Fischer等人，2009a；Scheible等人，2014年)和冒号(Horváth等，2010；彭等，2012)．虽然内含子snp可能促进前列腺癌细胞中CYP24A1的交替剪接模式，但维生素D激素暴露也可能通过维生素D受体(VDR)和核剪接因子(如异质核核糖核蛋白C (hnRNPC;Zhou等;2015)．因此，过表达CYP24A1的肿瘤细胞可能无法保留足够的激素来正常激活VDR，从而破坏正常的基因剪接事件，而正常的基因剪接事件是正确转导激素的免疫原性、促分化特性所必需的。CYP24A1剪接变异目前已在多种人类乳腺肿瘤细胞系(如MCF-7和MCF-10)以及健康和恶性乳腺肿瘤组织中被证实。在良性组织中，野生型CYP24A1 (56 kDa)是唯一存在的亚型。在恶性组织中，三种剪接变异(40,42和44 kDa)被表达，类似于培养的MCF-7乳腺肿瘤细胞表达42和44 kDa变异(Fischer等人，2009a；Scheible等人，2014年)．在人类结肠癌组织中也可见到类似的转化敏感剪接模式，其中组织学分级和患者性别调节三种可检测到的CYP24A1剪接变体的形成(Horváth等，2010)．彭和同事(2012)通过证明细胞或组织特异性剪接模式被甲状旁腺激素信号抑制，进一步细化了我们对结肠中这一过程的理解，但仅在缺乏维生素D激素的情况下，维生素D可能是CYP24A1基因表达和剪接的主要调节因子。
以人类肿瘤中的CYP24A1基因为例的表型不稳定性使癌症合理药物的治疗前景复杂化(特朗普等人，2006)．CYP24A1基因及其启动子的表观遗传修饰也可能导致P450表达的组织特异性差异(约翰逊等，2010年)．这一研究领域的前沿将可能解决核激素受体和表观遗传剪接因子(包括非编码形式的RNA)在管理转录组和表观基因组中发挥的协调作用。
值得注意的是，CYP27B1基因与CYP24A1高度相关，在恶性人类胶质瘤细胞中也被早期发现对转化特异性选择性剪接敏感(Maas et al.， 2001)．CYP27B1变异表达现已在乳腺、皮肤、子宫颈、肾脏和卵巢的肿瘤中得到证实(迪塞尔等，2004年；费舍尔等人，2007年，2009 b；Wu等，2007)．组织特异性CYP27B1剪接在健康皮肤中也很常见，其中观察到一个59-kDa变体，在外显子2和3之间插入3- kda，仅存在于皮肤，并与cAMP反应元件结合元件的活性有关(Flanagan等人，2003年)．皮肤细胞密度、钙浓度和UV-B光暴露的波动也被证明会影响剪接过程(Seifert等人，2009年)．总的来说，这些发现有助于验证我们的核心假设，即由细胞和环境因素(如紫外线照射和营养状况)决定的替代基因剪接可以改变患者在组织、年龄、性别、暴露和疾病特异性方面的代谢特征，这些方式难以预测。
针对CYPs 19A1、24A1和27B1的研究是人类P450s中最全面的转化敏感选择性剪接研究，文献中充满了各种转化细胞类型和组织中P450选择性剪接的轶事报道。例如，在肺癌细胞系中发现了选择性跳过外显子(2,2 - 3和2,4,5 - 5 '，6)的CYP2E1转录本，但在相应的肺肿瘤组织或肝脏提取物中没有发现，其中发现剪接变异是乙醇暴露不可诱导的(鲍尔等人，2005年)．作者当时指出，在美国国立卫生研究院(NIH)的AceView数据库中，这些剪接变体都没有被解释，这突出了长期以来与编目来自细胞特异性异常的剪接变体形式与来自正常组织特异性剪接范式的剪接变体形式相关的挑战。此外，一些孤儿P450s，包括CYP1B1, CYP2S1和CYP2W1与特定的人类肿瘤类型高度相关，使它们成为化学预防策略的重要前药靶点(Stenstedt等人，2012)．不幸的是，如上所述，孤儿P450s的替代剪接行为通常与它们的隐式功能一样不被理解。
有趣的是，在人类结肠肿瘤类型中表达的孤型CYP2W1几乎只与异常P450行为相关，包括内质膜的倒置取向和糖基化敏感的质膜运输(戈麦斯等人，2010；Stenstedt等人，2012)．肿瘤中CYP2W1表达的增加与该基因外显子1-内含子1连接处CpG岛的去甲基化有关。这种机制与健康组织中缺乏正常CYP2W1表达的关系尚不清楚，但这意味着一些特化P450s的表达可能只在极端细胞应激下才会被调用，此时另一种P450活性可能对平衡细胞稳态至关重要。CYP2W1在质膜上的异常表达和转运可能促进自身免疫反应，这是其机制的一部分。类似的自身免疫反应与用氟烷处理的动物组织中异常的CYP2E1运输有关(埃利亚松和肯娜，1996年)．美国国立卫生研究院的AceView和ensemble (坎宁安等人，2015)数据库表明，CYP2W1编码至少11种转录变异体，其中3种缺乏一个或多个外显子，与肝细胞癌、腺癌和成神经细胞瘤相关。我们在公共数据库搜索中发现的965个选择性剪接P450转录本中，有近200个与一种典型的人类肿瘤类型相关。提高对其肿瘤特异性细胞作用和调节其诱导机制的理解将有助于识别改进的疾病生物标志物和P450变异特异性治疗药物。
反式细胞色素P450基因嵌合体的剪接
众所周知，转化敏感的细胞变化和P450多态性都可以以多种方式改变蛋白质表达，这通常很难仅从初级序列分析中预测。这种挑战在嵌合P450基因通过反式-剪接事件在扩展的(或多个)pre-mRNA转录本之间。因此，尽管像CYP2C9这样的基因突变与包括苯妥英和甲苯丁酰胺在内的几种药物代谢不良有关，但替代或替代的作用反式-基因剪接在表现有害的cyp2c9相关代谢表型很少被考虑。例如，已经鉴定出几种CYP2C9剪接变体(CYP2C9sv) (Ohgiya等人，1992年)，包括一种跳过外显子2的肝脏特异性形式(Ariyoshi等人，2007年)．内部截断的CYP2C9变体具有光谱活性，但不代谢原型CYP2C9底物。CYP2C9晶体结构(PDB: 4NZ2;Brändén等，2014；所示补充图4A)表明，去除外显子2将重塑参考蛋白相对于其膜结合表面、底物通路、活性位点和氧化还原伙伴结合表面的部分。CYP2C9位于染色体10q24上的P450基因簇中，受非随机、反式与肝脏和皮肤中相邻的CYPs 2C8、2C18和2C19的-剪接事件，其中CYP2C18外显子1样序列被发现剪接成来自CYP2C9基因的不同内含子和外显子组合(华纳等人，2001年)．因此，与各种代谢紊乱相关的常见2c9相关snp可能仅间接调节先天剪接过程。如果它们的编码区域是从嵌合2C形式中剪接出来的，在个体间的基础上表达，这尤其正确，突出了GWAS靶向基因簇组件的另一个主要缺陷。
CYP2D基因家族也是复杂的、聚集的、易受影响的反式剪接事件;它由CYP2D6和4个假基因(CYP2D7P1和2以及CYP2D8P1和2)组成。在人类肝脏、乳房和肺组织中已检测到CYP2D家族前mrna的选择性剪接(黄等，1996，1997)，包括一个完全跳过外显子6的高表达剪接变体。如补充图4B， CYP2D6晶体结构分析(PDB: 4WNU:王等，2015)揭示了外显子6编码螺旋I的完整编码序列，跳过这一重要区域将通过去除关键的催化残基(例如Thr-309)和重塑活性位点的远端袋来显著改变蛋白质的结构/功能。替代CYP2D6外显子的使用具有组织选择性，有文献记载，跳过外显子3和部分外显子4的变体形式可以改变酶的功能和亚细胞定位(Sangar等人，2010年)．CYP2D6多态性与修饰酶活性有关，可作为对剂量依赖药物毒性敏感的低代谢表型的生物标志物。最近有报道称，CYP2D6*41个体(被认为是中间代谢者)的内含子多态性可以显著增加缺乏外显子6的CYP2D6变体的表达水平(托斯卡诺等人，2006年)．这些发现，再加上CYP2D基因簇的复杂组织，表明替代和反式-剪接机制可能是与人类CYP2D6可变代谢相关的复杂基因型-表型关系的基础，而且CYP2D6在结构上组织良好，可以利用针对螺旋C和D(外显子3)和螺旋I(外显子6)的组织和转化选择性剪接机制。
CYP3A基因家族(包括CYPs 3A4, 3A5, 3A7和3A43)在人类中也是高度复杂的，每个基因由13个外显子(约71% - 88%的氨基酸同一性)组成，聚集在染色体7q21-22.1上，其中CYP3A43基因与其他三个基因(Finta和Zaphiropoulos, 2000)．一些嵌合形式的CYP3A mrna已被描述，其中CYP3A43外显子1连接在CYP3A4和CYP3A5的典型剪接位点，这意味着一个反式-剪接机制，绕过经典的转录控制范式。在补充图5A， CYP3A4结构分析(基于PDB: 4K9T;Sevrioukova和Poulos, 2013)揭示了CYP3A4基因高度复杂的13个外显子结构域的分割，如上所述，这可能增强诱导后的快速翻译(Lejeune和Maquat, 2005；McGlincy和Smith, 2008)．关键CYP3A基因的氨基酸序列定位表明外显子1可能编码不同的跨膜锚螺旋和膜结合结构(补充图5B)，提示CYP3A嵌合体可能编码具有独特组织特异性分布和功能的表型谱。一个CYP3A4反式-剪接变体包含CYP3A43外显子1，随后是CYP3A4外显子4-13，已被描述;它保留了可检测到的睾丸激素β-羟基化酶活性，尽管失去了由外显子2和3编码的膜结合特征，包括螺旋A '和A，以及部分β1-1页(补充图5C)．一个CYP3A4反式也研究了含有CYP3A43外显子1，其次是CYP3A4外显子7-13的-剪接变体，其显示最小的6-β-羟化酶活性(补充图5D)．由于在CYP3A4、3A7和3A5之间的基因间区域存在额外的CYP3A假基因(CYP3AP1和CYP3AP2)，这一情况进一步复杂化，其中也发现了来自假基因的离散外显子反式-拼接到CYP3A7转录本(Finta和Zaphiropoulos, 2002)．最终，CYP3A4和CYP3A5剪接复杂性可能有助于解释CYP3A4*22患者中内含子snp如何改变他克莫司代谢，而不向外显子引入非同一性突变(Elens et al.， 2011)．因此，GWAS的预测能力可能需要重新考虑，特别是对于由假基因定义的最复杂的P450基因家族(例如，CYP 2C, 2D, 3A, 21A和51A家族)和反式剪接机制。
细胞色素P450超家族中snp敏感的选择性剪接
如上所述，组织特异性，选择性和反式-剪接行为现在已经被记录在几个重要的P450基因家族中;然而，snp可以以复杂的方式破坏这一过程，通常难以预测。靶向隐式内含子识别元件或离散内含子/外显子剪接结边界的snp可以改变翻译起始-终止位点的使用，以及野生型和变异P450转录本之间的表达比例。一些P450 snp极其罕见，发生在不到1%的人群中。这些罕见的突变与先天性缺陷有关，包括青光眼(CYP1B1;Stoilov等人，1998年；Tanwar等人，2009年；谢赫等人，2014年), 17 -α羟化酶缺乏(CYP17A1;山口等人，1998年；Costa-Santos等人，2004年；Hwang et al.， 2011；乔等，2011)、先天性肾上腺增生(CYP21A2;罗宾斯等人，2006年；李,2013；Szabó等，2013；Sharaf et al.， 2015)、脊柱裂(CYP26A1;Rat et al.， 2006)，局灶性面部皮肤发育不良(CYP26C1;Slavotinek等人，2013)和脑神经黄色瘤病(CYP27A1;Garuti等人，1996年；Verrips等人，1997年；Chen et al.， 1998；田和张，2011)．其他改变剪接的P450多态性与神经和代谢疾病有关，包括帕金森病(CYP2D6，Denson等人，2005年；CYP2J2,塞尔斯·尼尔森等人，2013年)，高血压(CYP4A11，Zhang等，2013；CYP17A1,王等，2011)、乳癌(CYP2D6，黄等，1996；CYP19A1,Kristensen等人，2000年;)结肠癌(CYP2W1，Stenstedt等人，2012)和肺癌(CYP2D6，Huang等，1997；CYP2F1,Tournel等人，2007年)．然而，这些疾病的复杂病因使得很难解释P450 SNP在疾病的实际发作或进展中可能发挥的确切作用。多种基因间、内含子和外显子多态性改变人类药物和异种生物代谢的研究也已被报道(CYP1A1，Allorge等人，2003年；CYP2C19、de Morais等人，1994年；伊比努等人，1999年；Satyanarayana等人，2009年；孙等，2015；CYP2D6、托斯卡诺等人，2006年；Lu等，2013；王等，2014；CYP3A4,Elens et al.， 2011；和CYP3A5,Kuehl等人，2001年；Busi和Cresteil, 2005；Lee et al.， 2007；García-Roca等，2012)．在许多情况下，最药理学相关的snp是那些影响固有剪接行为的给定基因。这一观察结果强调了为什么在选择个性化药物方案时，了解患者的离散P450转录组是如此重要。
现在很清楚的是，在基因和外显子之间，或者在RNA转录物的5 '或3 '非翻译区域，发现了大量与p450相关的snp。这类的多态性现在已经在几乎每个人类P450亚型中被确定，每个人都有可能以独特的方式改变不同个体的剪接。例如，CYP3A5*3 SNP (rs776746，也称为6986A>G)在内含子3中引入突变，改变了外显子4的正常剪接，产生了一种无功能的、截断的CYP3A5蛋白，这种蛋白在许多白种人中占主导地位(Kuehl等人，2001年)．野生型CYP3A5*1蛋白的表达在人群中高度可变，与盐诱导高血压的敏感性增加有关。有趣的是，一些CYP3A5*3/*3纯合子的个体可以表达截断型和正确剪接的野生型CYP3A5 (Lin et al.， 2002)．由于CYP3A5*3突变发生在内含子3上，距离外显子4的剪接供体位点上游超过100个碱基对，目前尚不清楚该SNP如何改变内含子3-外显子4连接的正常识别。尽管普遍存在的剪接因子(例如，U1小核仁核糖核蛋白)的表达差异可能解释了识别CYP3A5*3 SNP的个体间差异，但目前还没有模型来解释这种复杂的盐敏感剪接现象在肾脏中是如何被调节的。CYP3A5变体的替代剪接说明了为什么基于SNP的个性化医疗方法实施起来如此具有挑战性，因为给定SNP的生理影响可能与预期相反。考虑患者年龄、基因型、营养和疾病状况的计算方法最终可能需要对给定SNP对个体转录组的影响做出良好的预测。
一些异种生物制剂，包括氨基糖苷类和环己烷类(Busi和Cresteil, 2005)，可以改变核糖体的校对能力，允许抑制过早的停止密码子和对替代转录本的翻译通读，这些转录本可能或可能不保持在参考转录本的框架内。因此，在预测食品和药物安全时，提高对患者化学接触史和表观遗传状况的了解可能变得越来越重要。此外，仅基于通过队列研究或GWAS识别的snp的个性化药物方法可能存在根本缺陷和潜在误导，因为它们未能解释补偿性细胞机制的环境，而这种机制擅长掩盖即使是最具渗透性的突变的最有害影响。
解决非传统P450功能和贩运事件
我们对细胞色素P450超家族中剪接变异性的荟萃分析和综述揭示了传统P450结构/功能范式未能很好地解决的替代性转录本扩展和变异蛋白结构复杂性的低估水平。充分研究了CYP1A家族的剪接变体，揭示了一种复杂的结构域交换机制，允许替代蛋白质构象空间的组织特异性采样。组织特异性snrna (U1-U9)的离散阵列和辅助剪接因子可以改变基因的生物语法，从而为这种对环境因素(包括饮食和化学暴露)高度敏感的自然现象提供了颗粒机制。在人脑中，CYP1A1的选择性剪接似乎与对活性p450产物的组织特异性敏感性有关(例如，3-羟基苯并[a]芘;Kommaddi等人，2007年)．这种基因特异性敏感性是如何在遗传水平上被转导和印迹的仍然是谜，但细胞微环境清楚地说明了P450基因隐藏的结构复杂性可能被利用。这一观察有助于解释为什么一些P450变体，如CYP24A1-SV1，通常在免疫系统中表达，可以成为肿瘤细胞的主要参与者，在那里它们可能会阐述一个常见的紧急功能，如抑制维生素D激素代谢。这种细胞现象与相关的维生素D激素清除策略很一致，如3-外聚体化途径，可以诱导修饰维生素D激素的化学环结构，通过CYP24A1限制其有效的分解代谢(瑞厄等人，2013)．迄今为止，负责维生素D激素3-外聚体化的酶仍然未知(贝利等人，2013)．
对P450剪接变异在正常生物学中扮演的日益多样化和复杂的角色的新认识应该有助于重新激发对P450基因结构和进化的讨论，特别是关于调节P450基因复制和突变事件的选择性力量。尽管剪接体内内含子的起源和扩展仍有很大争议(罗戈津等人，2012；Qu等，2014)， 18个哺乳动物P450家族中的17个家族的内含子-外显子边界似乎在近4.2亿年的进化中得到了很好的保守，这一点由河豚(河豚)的基因组(尼尔森,2003);只有CYP39基因在河豚和所有已知的鱼类中缺失。因此，人类基因组编码的P450结构多样性的大部分可能在4.2亿年前四足动物从鳍鱼分化之前就已经存在了。在这方面，在人类中缺乏外显子6的CYP1A1变体的脑选择性表达可能并不比在河豚中发现的CYP19A1剪接变体的组织特异性表达更进化。在每种情况下，P450剪接变异体的诱导似乎提供了一种调节不同靶组织间类固醇激素多效性的新机制。
因此，创造P450基因模块化框架的选择压力可能早于5.4亿年前的寒武纪大爆发，并潜伏在后口动物进化史的某个地方(尼尔森,2003)．然而，需要对P450剪接机制进行当代分析，以帮助阐明线粒体、细胞核、过氧化物酶体、细胞质或质膜中选择性亚细胞转运和选择性P450变异功能之间的关系(补充表2)．由于替代剪接和替代起始位点的使用可以产生比细胞内靶向基元翻译后修饰产生的更大的P450结构多样性，因此其出现和调控的机制值得更多的关注。例如，如果CYP1A1和CYP1A2膜结合特征的细微差异可以调节脂质双分子层有序和无序区域内的氧化还原伙伴招募和蛋白质相互作用(Park等人;2015)，与一些P450变异体相关的变质结构变化可能是更多未被描述的(可能是兼职的)P450功能的基础(Zhao和Waterman 2011；兰姆和沃特曼，2013年)．
随着替代P450基因功能的前景继续扩大，替代靶向微粒体P450形成线粒体的细胞基础(例如，CYP1A1, CYP1A2, CYP1B1, CYP2B1, CYP2B2, CYP2E1, CYP3A1和CYP3A2)仍在研究中(Anandatheerthavarada等人，1997)．然而，最近有人提出了一种可能在调节破坏性亚细胞活性氧(ROS)产生方面的作用(董等，2013)．这一理论源于相关NADPH:醌氧化酶-1 (NQO1)基因的选择性转运，该基因通过阻止半醌氧化还原循环来限制ROS，可以保护线粒体免受应激诱导的氧化损伤。P450变体可能通过重定向反应性亚细胞化合物的代谢发挥类似的作用。然而，由于P450s也可以成为解耦的，并通过释放反应性产物直接产生ROS(即通过解耦的fenton型反应)，进一步关注P450剪接在调节线粒体应激和功能障碍中的作用似乎是有必要的。在这方面，令人感兴趣的是，许多经历选择性转运的P450剪接变体通常缺乏膜结合域和/或底物访问结构(通常由外显子1-3编码)的重要部分，这可能会扩大血红素可及性或未偶联ROS产生的速度。当观察到选择性剪接是线粒体改变细胞表型以减轻环境压力的主要机制时(Guantes等人，2015年)，认识到与疾病相关的P450变异的新的非经典作用似乎是可能的。
在这方面，有趣的是，大多数RNA剪接连接的一致序列(GU-AG)包含至少两个鸟嘌呤核苷酸，它们对ros介导的氧化高度敏感。在自由基氧的存在下，鸟嘌呤迅速转化为8-氧-鸟嘌呤和相关代谢产物，破坏正常的碱基配对和局部二级结构。8-oxo-鸟嘌呤在剪接连接处的形成会阻碍剪接因子(如snrna和剪接调节因子蛋白)对目标位点的识别，并改变RNA聚合酶(Pol) II的加工能力。此外，由于一些内含子是由AU-AC连接而不是GU-AG连接定义的，这些内含子的剪接可能对ros介导的事件不那么敏感，因此可能受到一套不同的调控剪接机制的影响。例如，通过腺苷-肌苷(a -to-i) RNA编辑(所罗门等人，2013)．即使是缺乏剪接内含子的线粒体基因也可能受到这种现象的影响，因为协调其自催化、自剪接事件的离散二核苷酸序列也可能被p450介导的ROS调制潜在地改变(齐默尔利和森珀，2015年)．
制定精准医疗的改进路线图
由于线粒体功能的改变可以改变全局选择性剪接事件，因此这两种现象都与细胞异质性的诱导和人类疾病病理进展有关也就不足为奇了(拉杰和范·乌德纳登，2008年；Hanahan和Weinberg, 2011；Pagliarini等人，2015)．尽管人们越来越重视选择性剪接在促进表型变异中的作用，但与疾病相关的遗传多态性的鉴定(可能改变也可能不改变基因剪接事件)仍然是药物基因组学的核心焦点。单基因突变目前已被鉴定为4000多种人类疾病，其中5-15%是snp导致无义突变的结果(莫特等人，2008年)．然而，snp发生在基因编码区域的频率约为1.5%，其中只有三分之一预计会导致非同义突变，更少的数量改变前mrna处理，导致表型变化的频率仅为0.5%。当人们考虑到人类在57个人类P450基因中表达了近50,000个SNPs时，只有不到250个可能能够显著改变患者的代谢表型，我们认为这一见解可能有助于简化PGx方法的个性化医疗(Zhou et al.， 2009；桑格和施瓦布，2013年)．例如，尽管CYP2D6基因分型在临床环境中不再被推荐用于他莫西芬治疗(亚伯拉罕等，2010；吴,2011；Lum等人，2013)， FDA仍然认为CYP2D6从PGx的角度用于可待因和其他药物的临床操作(克鲁斯等人，2014年)．不幸的是，超过74个CYP2D6的等位变异已经被描述，这大大复杂化了基因检测和临床医生选择适当的药物治疗和剂量的能力(周,2009)．幸运的是，临床药物遗传学实施联盟(CPIC)和药物基因组学知识库(pharmkb)等组织正在努力标准化PGx数据分析方法和特定基因-药物配对的临床指导(Caudle等人，2016)．然而，CPIC承认一些罕见的P450变异可能不包括在基因测试中，并且患者可能默认被分配为“野生型”遗传(克鲁斯等人，2014年)．当与p450特异性基因型/表型相关的额外不确定性以及未分类的snp数量配对时，就很清楚为什么准确的基因筛查仍然具有挑战性，而且只是治疗决策过程的一个方面。
最终，焦磷酸测序技术的成本下降和更广泛的可用性支持了我们对改进个性化医疗的RNA序列策略的呼吁，因为准确识别患者的功能基因组是精准医疗的关键组成部分。尽管转录组分析在个性化治疗方案的设计方面提供了卓越的指导，但其广泛实施需要对样本收集和处理进行技术改进，这对基因组检测来说也是个问题。在这方面，针对变体特异性代谢的补充代谢组学方法可能为PGx筛选和基于精确的医学方法提供更可行的短期改进(Beger等人，2016)．创新的基因导向治疗技术，如剪接改变反义寡核苷酸和CRISPR/Cas9基因组编辑系统，也可能成为操纵患者转录组以优化治疗结果的可行工具。已被研究用于治疗人类疾病的剪接开关技术的关键例子被列在补充表2．在这方面，我们的团队参与了eteplirsen的开发，这是一种新的反义寡核苷酸药物，已获得FDA的加速批准，用于治疗杜氏肌营养不良症(DMD;赛义德2016；Niks和Aartsma-Rus, 2017)．Eteplirsen的发展源于小鼠肌萎缩蛋白模型中外显子跳跃的早期研究(Fall等人，2006年；弗莱彻等人，2007；亚当斯等，2007年；Mitrpant等人，2009年)，一个犬型DMD模型(McClorey等，2006b)，以及人类肌肉外植体(McClorey等人，2006a)．我们的小组还利用外显子跳过寡聚物在小鼠炭疽模型中改进CD45蛋白酪氨酸磷酸酶的免疫反应介导的基因表达(潘查尔等人，2009年；Mourich和Iversen, 2009)，白细胞介素-10在埃博拉病毒致命挑战小鼠模型(潘查尔等人，2014)和CTLA-4在自身免疫性糖尿病小鼠模型中的表达(Mourich et al.， 2014)．我们假设类似的剪接改变技术可能有助于重定位药物代谢P450s的功能，如CYP3A4 (阿罗拉和艾弗森，2001年)，其对他莫昔芬等药物的代谢与基因毒性有关(Mahadevan et al.， 2006)．随着我们对转录组扩展和替代P450基因剪接机制的认识不断发展，新的治疗性基因编辑选项可能会出现，仅使用基因检测几乎无法预测。
总之，人类细胞色素P450家族转录组包含超过965种不同的变异形式(表2)，许多具有共同的结构特征，对扩大P450蛋白多样性的替代剪接事件敏感。P450基因转录物的转录和加工是复杂的，在核内受到多种因素的协调调节，包括通过环境传感器如过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR)的NR信号γ和PPARα，它们与PGC-1相互作用α调节氧化代谢和线粒体生物发生的转录辅激活因子(Wu等，1999；Monsalve等人，2000年)．多种类固醇，包括CYPs 1A、1B、2A、2B、2C、2D、3A、7A、17A、19A、24A1和51A代谢产物，结合NRs并通过调节剪接体复合物组装和pre-mRNA剪接的LxxLL或FxxLF基序导致与NR协调控因子相互作用(Auboeuf et al.， 2005)．雄激素受体(AR)结合CYPs 2A、2C、2D、3A、17A、19A和21A的多种代谢产物，也可以直接与核仁剪接因子(例如，U5小核仁核糖核蛋白)相互作用，表明受体介导的转录作用偶联到pre-mRNA剪接机制(赵等，2002)．由CYPs 2R、2J、3A、11A、27A、24A和27B代谢产物介导的维生素D受体激活也可以通过与类视黄酮X受体相互作用转导的nr介导的串扰(例如ppar)改变P450基因的表达和剪接。Matsuda和Kitagishi, 2013)， NCoA62/SKIP共激活复合物(Zhang et al.， 2003)，以及与异质核核糖核蛋白c剪接因子(Zhou et al.， 2015)．在细胞核中传统的VDR信号被一些非传统的NR功能进一步完善，这些功能在质膜附近工作，通过调节关键的基于膜的旁分泌信号通路改变基因表达，由Wnt和表皮生长因子(Larriba等人，2014)．CYPs 1A, 2B, 2C和26的维生素A代谢物(或类维生素A)，通过维甲酸受体和类维生素X受体发出信号，也被认为可以指导SC35辅激活剂的招募，以调节蛋白激酶δ (PKC)的交替剪接δ)和其他前mrna (Apostolatos等人，2010)．总的来说，这些数据揭示了一种新的基于P450的适应性转录组重塑机制，其中由几个组织或疾病特异性“P450云”之一监测的异种生物和内源性底物以协调的方式代谢，协调NR信号级联与替代基因表达和剪接事件，促进对细胞应激或刺激的适应性反应(图4)．
细胞色素P450和核受体基因之间的外源性串扰协调选择性剪接，类似于原始免疫系统。人体组织暴露于超过400种fda批准的药物，>10,000种异种生物制剂，以及数不清的内源性底物及其代谢产物(x> 100000)。细胞色素P450基因参与了许多这些化合物的I期解毒，包括模型底物苯并[a]芘(通过CYP3A4)和钙化二醇(通过CYP24A1)。P450基因通过同源核受体被经典地诱导沉默内源性异种生物信号，该受体通过“着色”或调节包括转录复合体和剪接体复合体的共调节因子的组成来调节全局基因表达和剪接事件，最终改变核糖体组装和基因表达的性质(Auboeuf et al.， 2005)．然而，模型底物在给定组织中由有限数量的P450s进行代谢，并且由于每个基因对无限数量的环境敏感、可选剪接事件敏感，每个个体可能表达一个独特的、组织特异性的“P450基因云”，包括野生型(WT)和剪接改变的变体形式(如SV1、SV2等)。P450剪接变体可以:1)显示代谢模型底物的能力降低，2)作为主要阴性物从代谢中隔离化合物或增强基础nr介导的信号通路，或3)作为具有替代代谢功能或细胞作用的构象不同的蛋白质。当与现有的P450交替转运和膜相关合作的范式相结合时，57个P450和48个NR基因之间的串话集成网络开始出现，因为新的P450代谢产物可能以独特的方式参与NR信号通路，重新编程基因剪接和表达，以促进细胞内稳态，面对内分泌干扰。NR信号级联可以改变个体的转录组和表观基因组，提供了一种优雅的反馈机制，以适应独特的个人历史和疾病状态所产生的细胞压力。
总之，人类代谢组通过诱导基因转录来适应底物负荷，这有助于在NR结合和信号事件引导的良好记录的途径中维持内稳态。在这方面，对异种生物的代谢反应(通过P450诱导)具有适应性，这与对病毒抗原的免疫反应相似;P450活性位点对化学物质的识别阶段，化学物质(或P450代谢物)与NR相互作用时的激活阶段，以及P450转录物发生协调转录和剪接以反馈-调制NR信号的效应阶段。与免疫反应的类比在这里是恰当的，因为特定的转录变异是在对特定的化学刺激的反应中产生的。通过nr介导的基因表达和选择性剪接来严格控制细胞内稳态的能力意味着在一种可能被认为是原始的化学免疫反应中存在一种高度复杂的操作。参与这种基于p450的原始免疫系统的分子转导转录组范围内的生物反应，能够重塑细胞的表型和“表观基因型”(通过编码和非编码RNA的调节)，允许可逆的环境适应，以及印迹，在极少数情况下可能会持续代代相传(Hochberg等人，2011)．对异种生物制剂诱导的适应性和不适应性表观基因组重塑过程的进一步了解，可能最终有助于协调困扰许多fda批准的药物的疗效和毒性的个体间差异。这些见解将为开发对患者的适应性转录组或功能基因组更敏感的“个性化”治疗策略提供新的指导，如P450基因超家族是可遗传表观基因型的最终表达，并且似乎在人类生命周期的所有阶段都保持对环境的响应。
致谢
作者感谢Ronald N. Hines博士(US-EPA)就本综述提出的深思熟虑的评论和建议。
作者的贡献
参与研究设计:安娜罗拉，艾弗森，马库斯。
数据分析:Annalora,球队。
手稿的:撰写或贡献手稿的:安娜罗拉，艾弗森，马库斯。
脚注
- 收到了2016年9月2日。
- 接受2017年2月6日。
这项研究由俄勒冈州立大学(Corvallis, OR)研究办公室和农业科学学院的启动资金支持，并授予博士。马库斯和艾弗森。
↵
本文有补充资料可在www.3tejia.com．
缩写
- 英国石油公司
- 苯并(a)芘
- 呃
- 内质网
- GWAS
- 全基因组关联研究
- 国家导弹防御
- nonsense-mediated衰变
- NR
- 核受体
- P450
- 细胞色素P450
- PGx
- 药物基因组学
- PPAR
- 过氧化物酶体增殖物激活受体
- pre-mRNA
- 前体或未加工的信使RNA
- ROS
- 活性氧
- 单核苷酸多态性
- 单核苷酸多态性
- 核内小rna
- 小核RNA
- 论述
- 维生素D受体
- 版权所有©2017美国药理学和实验治疗学会
参考文献
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
-
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
- ↵
![Endoxenobiotic crosstalk among cytochrome P450 and nuclear receptor genes coordinate alternative splicing and resemble a primitive immune system. Human tissues are subject to exposure from over 400 FDA-approved drugs, >10,000 xenobiotics, and untold numbers of endogenous substrates and their metabolites (x > 100,000). Cytochrome P450 genes participate in phase I detoxification of many of these compounds, including model substrates benzo[a]pyrene (via CYP3A4) and calcifediol (via CYP24A1). P450 genes are classically induced to silence endoxenobiotic signaling through cognate nuclear receptors, which modulate global gene expression and splicing events by “coloring” or modulating the composition of coregulatory factors that comprise both the transcription complex and the spliceosome complex, which ultimately alter the nature of both ribosome assembly and gene expression (Auboeuf et al., 2005). Model substrates are subject to metabolism by a finite population of P450s in a given tissue, however, and because each gene is sensitive to an infinite number of environmentally sensitive, alternative splicing events, each individual may express a unique, tissue-specific “P450 gene cloud” comprising both wild-type (WT) and splice-altered variant forms (e.g., SV1, SV2, etc.). P450 splice variants can: 1) display reduced ability to metabolize model substrates, 2) function as dominant negatives to sequester compounds from metabolism or potentiate basal NR-mediated signaling, or 3) function as a conformationally distinct protein with alternative metabolic function or cellular role. When coupled with existing paradigms of alternate P450 trafficking and membrane-associated cooperativity, an integrated network of crosstalk among 57 P450 and 48 NR genes begins to emerge, as novel P450 metabolites may engage NR signaling pathways in unique ways that reprogram gene splicing and expression to promote cellular homeostasis in the face of endocrine disruption. NR signaling cascades can alter both the transcriptome and epigenome of an individual, providing an elegant feedback mechanisms for adaptation to cellular stress created by unique personal history and disease status.](http://www.3tejia.com/content/dmd/45/4/375/F4.large.jpg?width=800&height=600&carousel=1){kind=link}
