COMT的遺傳藥理學(xué)研究進(jìn)展

2013-01-25 17:26金遠(yuǎn)香

中國藥理學(xué)通報 2013年8期

金遠(yuǎn)香，劉潔

(中南大學(xué)臨床藥理研究所，湖南省遺傳藥理學(xué)重點實驗室，湖南長沙 410078)

兒茶酚氧位甲基轉(zhuǎn)移酶(catechol-O-methyltransferase，COMT)1958年被發(fā)現(xiàn)，人類COMT基因定位于22號染色體長臂1區(qū)1帶2亞帶(22q11.2)，包含6個外顯子，其中3號外顯子的P1和P2兩個啟動子調(diào)節(jié)COMT的表達(dá)，并轉(zhuǎn)錄生成兩種不同的mRNA［1］。較長的mRNA(1.5kb)從P2啟動子開始轉(zhuǎn)錄，較短的mRNA(1.3kb)從P1啟動子開始，分別編碼生成膜結(jié)合型(membrane-bound COMT，MB-COMT)和可溶性(soluble COMT，S-COMT)兩種酶;與 S-COMT相比，MBCOMT有更高的底物親和力，但催化活性較低。COMT是一種在人體內(nèi)廣泛分布的代謝酶，MB-COMT主要分布于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，以大腦前額葉皮質(zhì)、中樞杏仁核及海馬部居多;SCOMT則廣泛分布于肝臟、血液、腎臟等外周組織器官中。COMT的底物包括兒茶酚胺和一些神經(jīng)遞質(zhì)，如腎上腺素、去甲腎上腺素和多巴胺等。在前額葉皮質(zhì)，多巴胺轉(zhuǎn)運蛋白對多巴胺的親和力是COMT的1 000倍，但因其表達(dá)量較低，多巴胺主要通過COMT代謝。

1COMT基因突變對COMT活性的影響

COMT基因突變影響COMT的活性和表達(dá)水平。如COMT基因第4號外顯子(1947，G＞A)的點突變，使其編碼的108或158位的纈氨酸被甲硫氨酸取代，導(dǎo)致活性改變，其中COMT GG基因型攜帶者活性最高、AG基因型次之、AA基因型則最弱;GG基因型編碼的酶，不僅比AA基因型編碼的酶活性高3～4倍，而且有更好的熱穩(wěn)定性［1］。

此外，有研究發(fā)現(xiàn)COMT基因中4個單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphisms，SNPs)組成的單倍型對酶的活性及表達(dá)水平影響較大，其中一個SNPs位于S-COMT啟動子區(qū)(A/G;rs6269)，其余位于S-和MB-COMT的編碼區(qū)，分別編碼 his62his(C/T;rs4633)，leu136leu(C/G;rs4818)，和val158met(A/G;rs4680);G-C-G-G、A-T-C-A和A-C-C-G三種單倍型分別對應(yīng)高、中、低的COMT活性［2］。進(jìn)一步的機(jī)制研究證明，COMT基因上的同義突變雖然不會引起編碼氨基酸的不同，但會改變mRNA的二級結(jié)構(gòu)從而影響mRNA的穩(wěn)定性及下游翻譯過程，最終導(dǎo)致酶的表達(dá)量和活性變化;當(dāng)mRNA形成短小而不穩(wěn)定的局部頸環(huán)結(jié)構(gòu)時，對翻譯影響不大，編碼的酶活性較高;當(dāng)mRNA形成長且穩(wěn)定的局部頸環(huán)結(jié)構(gòu)時，嚴(yán)重影響下游的翻譯工作，導(dǎo)致COMT的表達(dá)量減少，總活性降低［3－4］。

2 COMT基因突變與帕金森病藥物治療的關(guān)系

帕金森病(Parkinson’s disease，PD)的臨床癥狀表現(xiàn)為靜止性震顫、肌肉僵直、運動遲緩等，主要以擬多巴胺類藥物治療為主，COMT活性降低可能會導(dǎo)致多巴胺被降解的時間延長，因此COMT基因突變可能與PD藥物治療療效和不良反應(yīng)方面顯著的個體差異存在關(guān)聯(lián)［5］。

2.1 左旋多巴治療左旋多巴(L-dopa)是公認(rèn)的直接補(bǔ)充外源性多巴胺，控制帕金森病臨床癥狀的最佳藥物，被譽為PD藥物治療的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但其藥物反應(yīng)個體差異大，且長期使用會引起諸多運動并發(fā)癥。早期研究認(rèn)為，紅細(xì)胞中COMT酶活性是決定L-dopa療效的重要因素，高COMT活性的PD患者使用L-dopa治療的療效較差，副反應(yīng)發(fā)生率高。并且可能由于在東方人群中高活性的COMT出現(xiàn)的頻率高，使得東方人與高加索人群相比所能耐受的L-dopa劑量較低，同等劑量下運動障礙的發(fā)生率高。但這些研究存在的主要缺陷是只探究了紅細(xì)胞中COMT的活性表型與PD及其藥物治療的關(guān)系，沒有深入研究引起酶活性表型差異的遺傳學(xué)差異。

此后對COMT活性及基因多態(tài)性的研究則主要集中在rs4680:Val 108/158 Met。在韓國、意大利及中國人群中都有報道［6－8］，未發(fā)現(xiàn)rs4680多態(tài)性與 L-dopa治療的藥代動力學(xué)及藥效學(xué)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)有顯著性。Watanabe等［9］在日本人群的研究顯示，rs4680低活性純合子在出現(xiàn)“開-關(guān)”效應(yīng)或運動障礙的PD患者與對照中的分布差異有顯著性，但這種差異經(jīng)過校正后不再有顯著性。

在多基因聯(lián)合作用及單倍型分析方面，波蘭人群的研究發(fā)現(xiàn)［10］，雖然 B 型單胺氧化酶 (monoamine oxidase B，MAOB)和COMT的基因突變頻率分布在高低兩個劑量組中沒有顯著性差異;但COMTLL純合子在低劑量組的分布頻率更高;MAOB和COMT AG-HH基因型在女性高劑量人群中占主要地位，而在女性低劑量人群中則是AG-LL基因型占主要地位。Bialecka等［11］對有報道能影響COMT活性的4個 SNPs(rs6269、rs4633、rs4818和 rs4680)構(gòu)成的單倍型(低活性為A_C_C_G，中等活性A_T_C_A，高活性G_C_G_G)進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示:高活性單倍型攜帶者在遲發(fā)型PD患者中出現(xiàn)的頻率比健康對照組高，L-dopa用量明顯高于非攜帶者;且隨著酶活性增加，L-dopa的平均使用劑量也增加;但不同單倍型與L-dopa治療所引起的運動障礙之間并無關(guān)聯(lián)。

2.2 COMT抑制劑治療兒茶酚氧位甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑(COMTI)托卡朋、恩他卡朋等，可延長L-dopa作用時間，減少L-dopa用量，且不影響療效，用于嚴(yán)重PD患者長期用藥后出現(xiàn)藥效減退和“開-關(guān)”等癥狀時的輔助治療。恩他卡朋主要在外周發(fā)揮作用，托卡朋還有部分中樞抑制作用。研究報道［12］rs4680與服用托卡朋6個月后，L-dopa每日攝入量的改變值、帕金森病統(tǒng)一評分量表(United Parkinson Disease Rating Scale，UPDRS)第三部分分值的改進(jìn)及托卡朋治療所引起的副作用腹瀉之間沒有相關(guān)性。另一項研究中［13］發(fā)現(xiàn):兩個月的恩他卡朋治療后，雖然PD患者的每日平均“開”、“關(guān)”期時間、總的UPDRS分值、運動障礙的發(fā)生頻率和嚴(yán)重程度的改變似乎都和患者的基因型無關(guān);但rs4680不同基因型組別中，每日L-dopa劑量的下降幅度不同，COMTHH組降幅最大，COMTHL組次之，COMTLL組變化較小。此外，Corvol等［14］也認(rèn)為 rs4680位 COMTHH基因型患者與COMTLL型患者相比，能獲得的“開”期時間更長，使用恩他卡朋后L-dopa的藥時曲線下面積增加的更多，COMT活性被恩他卡朋抑制得更明顯。

3 COMT基因突變與重度抑郁癥藥物治療的關(guān)系

目前研究認(rèn)為，重度抑郁癥(major depressive disorder，MDD)可能是遺傳和環(huán)境因素共同作用而引起的一種復(fù)雜的精神失調(diào)?？挂钟羲幹委熓荕DD的主要治療手段，但它存在個體差異大、滿意度差和患者抗抑郁治療耐受等問題。盡管COMT不能通過代謝使5-羥色胺失活，但是COMT中的基因突變能夠影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)中去甲腎上腺素、多巴胺等神經(jīng)遞質(zhì)的利用度，因而成為可能影響抗抑郁藥治療的重要候選基因。

在對中國MDD患者的研究中［15］發(fā)現(xiàn):氟西汀治療4周內(nèi)，rs4680位不同基因型間療效無差異;經(jīng)過8周治療后，Val/Val攜帶者與其他基因型相比21項漢密爾頓抑郁量表(Hamilton Rating Scale for Depression，HAMD)分值降低得更少，對氟西汀反應(yīng)性較差。但也有研究認(rèn)為［16］rs4680多態(tài)性與MDD易感性及5-羥色胺再攝取抑制劑治療MDD療效之間不存在關(guān)聯(lián)。

在多位點或單倍型研究方面，一項包含250個高加索人群MDD患者的隨機(jī)雙盲試驗中［17］，研究了19個候選基因的SNPs與不少于6周的度洛西汀治療之間的關(guān)系，結(jié)果只有COMT與17項HAMD的改變值相關(guān)，關(guān)聯(lián)度最高的是與rs174697 位強(qiáng)連鎖的 rs165599。此后 Houston 等［18－19］的研究再次證實，COMT基因中 rs165599、rs165737、rs174697與MDD患者的度洛西汀治療療效相關(guān)。也有研究報道［20］，對rs2075507、rs737865、rs6269、rs4633、rs4818、rs4680 和rs165599共7個SNPs位點進(jìn)行單個分析時，所有位點都與MDD的易患性無關(guān)，只有位于MB-COMT啟動子區(qū)的rs2075507與治療反應(yīng)表型弱相關(guān)，GG基因型在療效佳者組中所占比率是療效差者組中所占比率的1.86倍，差異具有顯著性;而單倍型分析顯示，rs4633、rs4818和rs4680構(gòu)成的單倍型與抗抑郁治療反應(yīng)表型明顯相關(guān)，C-C-A單倍型在療效佳者組所占比率分別是在療效差者組和對照組的4倍和6倍。

4 COMT基因突變與精神分裂癥藥物治療的關(guān)系

精神分裂癥是一種慢性的精神疾病，它以幻想、妄想、認(rèn)知和功能損失等陰性和陽性癥狀為主要特征。其藥物治療主要與調(diào)節(jié)多巴胺神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)，特別是阻斷D2受體，減少多巴胺的利用度有關(guān)。

療效方面，早期研究報道，rs4680位AA型低活性純合子患者與其他基因型患者相比，簡明精神病評定量表評分較高，復(fù)發(fā)住院次數(shù)多，癥狀緩解程度低，預(yù)后較差;同時COMT低活性基因型分別與低MAOB或高血管緊張素酶活性基因型聯(lián)合作用時，相應(yīng)基因型攜帶者在療效差組中所占比例分別是療效佳者中所占比例的6倍多和10倍多。但也有研究得出了與此矛盾的結(jié)果，Bertolino等［21］發(fā)現(xiàn)經(jīng)過8周正規(guī)的奧氮平治療后rs4680 AA型患者不僅較其他基因型患者工作記憶功能成績提高明顯，而且其大腦額葉前部生理功能的改善明顯高于其他基因型。后續(xù)的研究［22－23］也證實A突變攜帶者，對抗精神病藥物治療過程中陰性癥狀方面的臨床反應(yīng)率更高，反應(yīng)速度更快，治療后的執(zhí)行能力、工作記憶功能改善更顯著，雜合子次之，GG型純合子幾乎無反應(yīng)。此外，在日本和高加索患者的部分研究中［24－25］，則沒有發(fā)現(xiàn)rs4680位基因多態(tài)性與非傳統(tǒng)抗精神病藥療效之間存在明顯關(guān)聯(lián)。

不良反應(yīng)方面，有研究報道［26］經(jīng)過6周抗精神病藥物治療后，COMT基因突變與藥物治療療效無關(guān)聯(lián)，但攜帶有GG型的患者與AA型患者相比出現(xiàn)更高比例的負(fù)性癥狀不良反應(yīng)，因此研究者認(rèn)為，與臨床反應(yīng)相比，rs4680位多態(tài)性似乎與嚴(yán)重的負(fù)性癥狀更加相關(guān)。而在Bakker等［27］的一項前瞻性試驗中，則未發(fā)現(xiàn)包括 PPP1R1B、BDNF、DRD3、DRD2、HTR2A、HTR2C、COMT、MnSOD、CYP1A2 和 RGS2 共10個候選基因的基因多態(tài)性與抗精神病藥物治療引起的運動障礙之間存在明顯關(guān)聯(lián)。

5 小結(jié)與展望

盡管針對COMT基因多態(tài)性與神經(jīng)退行性疾病和精神病治療類藥物的藥代動力學(xué)、藥效學(xué)及不良反應(yīng)之間的關(guān)系已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，但這些研究中，大部分是以第108/158位的非同義突變rs4680作為分組標(biāo)準(zhǔn)，對其他位點的關(guān)注較少，而多數(shù)基于此單個SNPs的報道都未能獲得一個統(tǒng)一的結(jié)論。我們是否需要反思，在基因突變對COMT活性的影響及由于COMT活性改變而引起的藥物治療反應(yīng)差異方面，rs4680是否真的起著絕對的主導(dǎo)作用?Nackley等［3］進(jìn)行的rs6269、rs4633、rs4818和rs4680共4個位點的單倍型分析似乎給了我們一些提示，同義突變雖然不會引起編碼氨基酸的不同，但可能會改變mRNA的二級結(jié)構(gòu)從而導(dǎo)致酶在表達(dá)量和活性方面的變化;而且在此單倍型中，rs4680 G既存在于高活性組(G-C-G-G)又存在于低活性組(A-C-C-G)，前者在人群中的分布頻率是后者的3倍左右。正因為如此，當(dāng)僅考慮rs4680位時，是否G-C-G-G高活性及A-C-C-G低活性攜帶者則很可能會被歸入一個組別，雖然體現(xiàn)出相對較高的活性，但不同單倍型本身所引起的酶活性的更大差異則會被減弱甚至掩蓋?同時，不同人群及種族間是否可能由于單倍型分布頻率的差異，從而引起研究結(jié)果的不一致性?另一方面，雖然有很多研究支持高活性COMT酶攜帶患者對L-dopa的耐受性差，同等劑量下出現(xiàn)副反應(yīng)的可能性更大，需要更高的劑量才能達(dá)到預(yù)期療效，使用COMTI類藥物合并L-dopa治療PD時，高COMT活性患者療效似乎更好些;rs165599以及與其強(qiáng)連鎖的rs174697很有可能與抗抑郁藥療效相關(guān);MAOB A644G和COMT之間可能存在協(xié)同作用等，但這些結(jié)論都還需要進(jìn)行大樣本多中心的臨床試驗來驗證。此外，究竟是哪些位點，哪些單倍型在影響COMT活性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，這一點也尚無定論。

綜上所述，COMT的遺傳藥理學(xué)研究依舊是一個充滿希望和挑戰(zhàn)的領(lǐng)域。在后續(xù)的工作中，我們一方面需要采用新的技術(shù)和特殊的實驗設(shè)計試圖找到新的功能性位點，另一方面則需要對已報道的有功能意義的位點進(jìn)行深入研究，最終希望找到COMT基因突變與藥物反應(yīng)表型之間的關(guān)系，為患者的“個體化藥物治療”提供依據(jù)。

［1］Tai C H，Wu R M.Catechol-O-methyltransferase and Parkinson’s disease［J］.Acta Med Okayama，2002，56(1):1－6.

［2］Diatchenko L，Slade G D，Nackley A G，et al.Genetic basis for individual variations in pain perception and the development of a chronic pain condition ［J］.Hum Mol Genet，2005，14(1):135－43.

［3］Nackley A G，Shabalina S A，Tchivileva I E，et al.Human catechol-O-methyltransferase haplotypes modulate protein expression by altering mRNA secondary structure［J］.Sci，2006，314(5807):1930－3.

［4］Tsao D，Shabalina S A，Gauthier J，et al.Disruptive mRNA folding increases translational efficiency of catechol-O-methyltransferase variant［J］.Nucleic Acids Res，2011，39(14):6201－12.

［5］劉英姿，劉潔，周宏灝.帕金森病藥物治療的遺傳藥理學(xué)研究進(jìn)展［J］.中國藥理學(xué)通報，2009，25(10):1269－72.

［5］Liu Y Z，Liu J，Zhou H H.Advances in pharmacogenetics of anti-Parkinson’s drugs treatment［J］.Chin Pharmacol Bull，2009，25(10):1269－72.

［6］Lee M S，Lyoo C H，Ulmanen I，et al.Genotypes of catechol-O-methyltransferase and response to levodopa treatment in patients with Parkinson's disease［J］.Neurosci Lett，2001，298(2):131－4.

［7］Contin M，Martinelli P，Mochi M，et al.Genetic polymorphism of catechol-O-methyltransferase and levodopa pharmacokinetic-pharmacodynamic pattern in patients with Parkinson's disease［J］.Mov Disord，2005，20(6):734－9.

［8］Lin C H，Wang C L，Huang P F，et al.Genetic polymorphism of catechol O-methyltransferase and pharmacokinetics of levodopa in healthy Chinese subjects［J］.Methods Find Exp Clin Pharmacol，2009，31(6):389－95.

［9］Watanabe M，Harada S，Nakamura T，et al.Association between catechol-O-methyltransferase gene polymorphisms and wearing-off and dyskinesia in Parkinson's disease［J］.Neuropsychobiol，2003，48(4):190－3.

［10］Bialecka M，Drozdzik M，Klodowska-Duda G，et al.The effect of monoamine oxidase B(MAOB)and catechol-O-methyltransferase(COMT)polymorphisms on levodopa therapy in patients with sporadic Parkinson's disease［J］.Acta Neurol Scand，2004，110(4):260－6.

［11］Bialecka M，Kurzawski M，Klodowska-Duda G，et al.The association of functional catechol-O-methyltransferase haplotypes with risk of Parkinson's disease，levodopa treatment response，and complications［J］.Pharmacogenet Genomics，2008，18(9):815－21.

［12］Chong D J，Suchowersky O，Szumlanski C，et al.The relationship between COMT genotype and the clinical effectiveness of tolcapone，a COMT inhibitor，in patients with Parkinson＇s disease［J］.Clin Neuropharmacol，2000，23(3):143－8.

［13］Lee M S，Kim H S，Cho E K，et al.COMT genotype and effectiveness of entacapone in patients with fluctuating Parkinson's disease［J］.Neurol，2002，58(4):564－7.

［14］Corvol J C，Bonnet C，Charbonnier-Beaupel F，et al.The COMT Val158Met polymorphism affects the response to entacapone in Parkinson's disease:a randomized crossover clinical trial［J］.Ann Neurol，2011，69(1):111－8.

［15］Tsai S J，Gau Y T，Hong C J，et al.Sexually dimorphic effect of catechol-O-methyltransferase val158met polymorphism on clinical response to fluoxetine in major depressive patients［J］.J Affect Disord，2009，113(1－2):183－7.

［16］Illi A，Setala-Soikkeli E，Kampman O，et al.Catechol-O-methyltransferase val108/158met genotype，major depressive disorder and response to selective serotonin reuptake inhibitors in major depressive disorder［J］.Psychiatry Res，2010，176(1):85－7.

［17］Perlis R H，F(xiàn)ijal B，Adams D H，et al.Variation in catechol-O-methyltransferase is associated with duloxetine response in a clinical trial for major depressive disorder［J］.Biol Psychiatry，2009，65(9):785－91.

［18］Houston J P，Kohler J，Ostbye K M，et al.Association of catechol-O-methyltransferase variants with duloxetine response in major depressive disorder［J］.Psychiatry Res，2011，189(3):475－7.

［19］Houston J，Zou W，Aris V，et al.Evaluation of genetic models for response in a randomized clinical trial of duloxetine in major depressive disorder［J］.Psychiatry Res，2012，200(1):63－5.

［20］Kocabas N A，F(xiàn)aghel C，Barreto M，et al.The impact of catechol-O-methyltransferase SNPs and haplotypes on treatment response phenotypes in major depressive disorder:a case-control association study［J］.Int Clin Psychopharmacol，2010，25(4):218－27.

［21］Bertolino A，Caforio G，Blasi G，et al.Interaction of COMT(Val(108/158)Met)genotype and olanzapine treatment on prefrontal cortical function in patients with schizophrenia［J］.Am J Psychiatry，2004，161(10):1798－805.

［22］Bertolino A，Caforio G，Blasi G，et al.COMT Val158Met polymorphism predicts negative symptoms response to treatment with olanzapine in schizophrenia［J］.Schizophr Res，2007，95(1－3):253－5.

［23］Woodward N D，Jayathilake K，Meltzer H Y.COMT val108/158met genotype，cognitive function，and cognitive improvement with clozapine in schizophrenia［J］.Schizophr Res，2007，90(1－3):86－96.

［24］Yamanouchi Y，Iwata N，Suzuki T，et al.Effect of DRD2，5-HT2A，and COMT genes on antipsychotic response to risperidone［J］.Pharmacogenomics J，2003，3(6):356－61.

［25］Tybura P，Samochowiec A，Beszlej A，et al.Some dopaminergic genes polymorphisms are not associated with response to antipsychotic drugs in schizophrenic patients［J］.Pharmacol Rep，2012，64(3):528－35.

［26］Pelayo-Teran J M，Perez-Iglesias R，Vazquez-Bourgon J，et al.Catechol-O-methyltransferase Val158Met polymorphism and negative symptoms after acute antipsychotic treatment in first-episode non-affective psychosis［J］.Psychiatry Res，2011，185(1－ 2):286－9.