表观遗传学因素对转运蛋白ABCB1的影响及其在药代动力学方面的作用

　　表观遗传学因素对转运蛋白ABCB1的影响及其在药代动力学方面的作用

　　卢金淼，李琴，李智平(复旦大学附属儿科医院，上海201102)

　　[中图分类号] R968 [文献标识码]A [文章编号l1672-108X(2018)05-0050-05

　　Epigenetic Factors on Translocator ABCBl and Pharmacokinetics Lu Jinmiao, Li Qin, Li Zhiping (Children's Hospital of Fudan University, Shanghai 201102, China)

　　人体中的药物转运蛋白( drug transporter，DTR)多数是跨膜蛋白，可以通过细胞膜转运多种化学物质，包括药物以及其它内源性化合物等。药物在体内的吸收、分布和排泄过程通常是由这类转运蛋白参与完成的[1-2]。目前，已经在人体器官如小肠、肾、脑和肝脏中发现10余种DTR，其中主要的蛋白即ABCBl[3-4]。对DTR基因表达的深入研究，有助于解释药代动力学的个体差异。药物在不同的个体之间，其药代动力学可能存在较大的个体差异，而这些差异可能终导致药物的临床疗效和毒性改变[5-6]。不同人群之间转运蛋白的遗传变异，导致其对药物的反应性改变。已知在编码DTR的基因中，存在多种遗传多态性，其中一部分已经被证实可以导致临床疗效改变[7-8]。然而，在实际的药物治疗时，即使考虑了常见的各种遗传多态性，但是不同个体的表型与基因型之间仍然存在一定的个体差异。有研究[9]。表明，只有10%~ 30%的表型变异可以通过药物转运基因中的遗传多态性来解释。因此，除了遗传多态性，药物反应的变化必须考虑表观遗传( epigenetic)对基因的节作用。与常见的基因遗传多态性不同，表观遗传调控是通过改变ABCB1基因的表达水平，而不是改变其DNA序列。并且，表观遗传控制机制与DNA甲基化、组蛋白修饰和微RNA有关。表观遗传机制控制ABCB1的表达，其终影响药物的药代动力学过程和疗效。基因编码的转运体ABCB1参与药物的吸收、分布和排泄全过程，因此药物的药代动力学参数会因ABCB1的表观遗传变化而改变[10-11]。表观遗传变化在ABCB1功能中发挥重要作用，对ABCB1基因中的表观遗传调节的理解将为个体化药物治疗提供新见解，成为新的研究方向。因此，本文综述了在表观遗传的调节机制下，药物转运体中ABCB1的转录和转录后对药代动力学影响的新研究进展。

　　1 表观遗传因素对DTR的影响机制

　　1.1DNA甲基化

　　DNA甲基化是表观遗传控制机制中的主要组成部分，其具有调节胚胎发育，改变染色质结构，控制X染色体失活、转录抑制、基因组印迹、抑制重复序列和寄生DNA成分对基因组的完整性产生损害作用，改变药物疗效等特点[12-13]。DNA甲基化状态的维持对于细胞存活、正常胚胎及出生后发育和成人正常生理功能必不可少。DNA甲基化主要发生在位于CpG位点的胞嘧啶残基的5一碳位置。尽管人体大部分基因间和转座元件内的CpG均被甲基化，但基因启动子区域的大多数CpG岛未甲基化。富含CpG岛的启动子的甲基化功能控制转录起始和基因沉默。同样，启动子区中CpG岛的DNA甲基化可以影响各种DTR的表达。研究显示，DNA甲基化程度越高，这段DNA被转录成RNA并翻译成有功能的蛋白质的可能性越小[14-15]。因此，超甲基化会抑制DTR的基因表达。相反，低甲基化会增加DTR的基因表达。

　　1.2 组蛋白乙酰化

　　组蛋白乙酰化是表观遗传修饰中上调基因表达的重要机制之一。组蛋白乙酰转移酶( HAT)通过对组蛋白尾部中保守的赖氨酸残基乙酰化，刺激基因表达，导致组蛋白和组蛋白-DNA解离，从而使各种转录因子和协同转录因子能与DNA结合位点特异性结合，激活基因转录。相反，组蛋白去乙酰化酶( histone deacetylase，HDAC)可去除乙酰基抵消HAT的作用，并使组蛋白返回到基础状态，同时抑制基因转录。组蛋白乙酰化还可以刺激人体中DTR基因表达增加，导致药物疗效改变等[15-16]。

　　1.3 miRNA干扰

　　miRNA也是影响DTR表达的重要因素。虽然人类基因组中蛋白质的编码基因所占比例不到3%，但是非编码区转录的RNA( ncRNA)的重要性也备受关注[17-18]。ncRNA是一种不翻译成蛋白质的功能性RNA分子。一些ncRNA如核糖体RNA和转移RNA，具有维持细胞功能的重要作用。同时，ncRNA还具有一定的调节功能，其中miRNA在mRNA的转录后调节中发挥重要作用。miRNA是一种含有20~ 24个核苷酸的小分子ncRNA，是从初具有多个发夹环结构的几百个核苷酸的转录物( pre-miRNA)中切割而来。成熟的miRNA可以加载到蛋白质上以形成RNA诱导的沉默复合物(RISC)。RISC与mRNA的非翻译区(UTR)相互作用，从而降低mRNA的稳定性或降低mRNA转录后的翻译功效，终实现miRNA的基因沉默效应。与其他调节分子不同，miRNA靶标识别相对灵活，因为miRNA序列短，miRNA和mRNA之间的相互作用基于部分序列互补性。单个miRNA可以靶向调节几十个靶基因，且一个基因可以由数十个不同的miRNA调节。因此，miRNA对药物和临床治疗的影响也是目前研究的热点问题[19-20]。

　　2 ABCB1与表观遗传修饰

　　ABCB1又称MDR1或P一糖蛋白(P-gp)，可以在人体运输大量结构不同的化合物[21-22]，其中包括多种天然产物、化疗药物、类固醇、小分子肽和离子载体等[23-24]。

　　2.1ABCB1启动子甲基化

　　ABCB1是与DNA甲基化相关研究多和广泛的一种物质。多项研究心[25-26]显示，在体外和体内研究中ABCB1启动子甲基化与ABCB1的mRNA表达之间存在相关性。Wu L X[27-28]的研究显示，高甲基化组在结肠上皮细胞中ABCB1的mRNA表达水平较低甲基化组显著性降低，并且ABCB1基因的甲基化水平还可以改变体内地高辛的药代动力学特征等。ABCB1有两个不同的启动子，包括上游启动子和下游启动子，多数细胞中ABCB1的主要启动子是下游启动子。然而，也存在一些例外情况，一些细胞系和健康的人类组织表现ABCB1从上游启动子转录。CpG岛则存在于下游启动子中。Reed K等[29]报道了多西他赛耐药性的原因来自上游启动子的ABCBl mRNA的过表达，但下游启动子中的CpG岛高度甲基化。该研究提出DNA超甲基化导致启动子从下游到上游的转移。因此，除了基因遗传多态性外，DNA甲基化可以影响ABCB1的表达和药代动力学过程。ABCB1启动子的甲基化状态，可能在将来作为一种生物标记物来评估ABCB1的功能。

　　2.2 ABCB1组蛋白乙酰化

　　ABCB1的表达水平还受到ABCB1启动子中组蛋白乙酰化的影响[30-31]。丙戊酸是HDACs的抑制剂，丙戊酸盐可以诱导K562细胞中ABCB1启动子内的组蛋白H4的高度乙酰化，并增加ABCB1的表达[32]。另外，通过RNA沉默对HDAC1和HDAC2的选择性抑制，同样可以显著增加ABCB1启动子活性并诱导ABCB1表达增加[33]。抗癌药物中如柔红霉素、依托苷和长春新碱通过增加CEM-Bc12细胞中ABCB1基因座处的组蛋白乙酰化而诱导ABCB1基因的表达上调[34]。另外，在耐药细胞中，ABCB1启动子中的组蛋白乙酰化增加，同时蛋白表达水平也增加。因此，ABCB1启动子中组蛋白乙酰化可以调节人类细胞系中的ABCB1表达，其在药物抗性的发生机制中起重要作用。

　　2.3 ABCB1与miRNA调节

　　ABCBl mRNA的稳定性和其翻译的速率个体差异较大，这表明了P-gp转录后调节机制的重要性[35]。由此，miRNA已经被鉴定为ABCB1基因的直接调节子。Kovalchuk 0等[36]发现，miRNA-451通过位于多柔比星抗性细胞中ABCBl mRNA区的3-UTR的独特结合位点来调节P-gp的表达。miRNA-451的过度表达降低了转染细胞中的荧光素酶表达。相比之下，当使用miRNA-451抑制剂时，荧光素酶水平恢复，表明ABCB1受3’-UTR的直接调节。同样，Bao L等[37]报道了通过MDA-MB-231-S细胞中推定的miR-298位点在ABCB1中的直接调节。Feng D D等L38]报道miR-27a模拟物直接抑制293T细胞中的ABCB1—3’-UTR的荧光素酶活性。与直接调节相反，miRNA在此过程中通过间接调节控制ABCB1的表达。间接调节机制显示，降解不是发生在靶标mRNA中，而是可以作用于编码蛋白质的其他mRNA(其作为中间体)。另外，miR_27a[39-40]和miR-130a[41-42]虽然可靶向调节其他mRNA，但是其编码涉及ABCB1基因激活的转录因子。这些研究结果表明，miRNA在调节ABCB1表达的机制上也发挥了一定的作用。

　　3小结

　　关于药物转运体表达中个体差异的研究，大部分都集中在DNA的序列和SNP位点的变异上。然而，表观遗传学研究发现没有DNA序列变化，药代动力学相关的基因表达也可以发生改变。近年来，由表观遗传学通过DNA甲基化、组蛋白修饰和miRNA相关的转录后过程的活化或沉默调节的DTR基因的知识迅速增加[43]。因此，仅仅使用DNA序列的改变应用于个体化药物治疗是不够的。

　　另一方面，由于表观遗传调控是动态和可逆的[44-45]，ABCB1的调节机制表达的改变十分灵活。因此，根据表观遗传状态预测ABCB1的功能可能较困难。同时，目前关于ABCB1表观遗传调控的研究仍然相对较少，表观遗传调节对转运蛋白的影响不能完全解释药代动力学的改变。ABCB1启动子中的表观遗传调节(DNA甲基化)与ABCB1底物的药代动力学特征显著相关的临床研究也很少[28]。因此，需要更多临床研究来评价表观遗传调节对ABCB1转运体底物的药代动力学影响。

　　由于表观遗传调节具有可逆性，并且可以随年龄以及从组织到组织而不同，其真实机制可能更为复杂。虽然ABCB1的功能也受表观遗传因素如DNA甲基化、组蛋白修饰和miRNA的影响，但是表观遗传调节还可能受许多其它因素如年龄、饮食、生活方式、疾病和环境的影响。表观遗传变异可能有助于解释儿童年龄发展相关的ABCB1表达迟发性个体间的差异，而基于传统DNA序列的方法可能不能解释这些差异。在表观遗传DNA修饰的影响中，DNA甲基化可以更容易地从研究实验室设置转移到临床常规诊断中。因为患者一旦获得甲基化，在大多数情况下是稳定的[46-47]。还有，体液中的miRNA在正常条件下非常稳定[48-49]，特异性miRNA可以作为表观遗传学检测的潜在稳定生物标记物。

　　4展望

　　综上所述，基于表观遗传学修饰的DNA甲基化可以调节ABCB1表达，同时ABCB1还受到组蛋白乙酰化和miRNA的调控。但是，目前组蛋白修饰对DTR表达中个体间差异的研究尚缺乏临床试验证据。miRNA可能在药物转运体的mRNA表达翻译过程中直接和间接发挥作用，并且可能在ABCB1表达个体间差异中起重要作用。可以预见在不久的将来，通过使用新的表观遗传学生物标记物和更快的基因检测方法，表观遗传变异与DNA序列变异之间可以建立沟通的桥梁，两者联合应用再结合临床试验数据将为个体化药物治疗开拓和提供标准化的临床治疗策略。

　　参考文献

　　[1] KOO S H, LO Y L, YEE J Y, et al. Cenetic and/or non-genetic causes for inter-individual and inter-cellular variability in transporter protein expression: implications for understanding drug efficacy and toxicity [J]. Expert Opin Drug Metab Toxicol,2015, 11(12) : 1821-1837.

　　[2] LIU Y, ZHENG X, YU Q, et al. Epigenetic activation of the drug transporter OC'12 sensitizes renal cell carcinoma to oxaliplatin[ J] . Science translational medicine, 2016 , 8 ( 348 ) : 348.

　　[3] CHEN Z, SHI T, ZHANG L, et al. Mammalian drug efflux transporters of the ATP binding cassette ( ABC) family in multidrug resistance: a review of the past decade [J]. Cancer letters, 2016, 370(1) : 153-164.

　　[4] 11 W, ZHANG H, ASSARAF Y G, et al. Overcoming ABC transpofler-mediated multidrug resistance: molecular mechanisms and novel therapeutic drug strategies [ J].Drug Resist Updat,2016 , 27 : 14-29.

　　[5] CACABELOS R, TORRELIAS C. Epigenetics of aging and alzheimer' s disease: implications for pharmacogenomics and drug response [ J] . Int J Mol Sci, 2015 , 16( 12) : 30483-30543.

　　[6] HIROTA T, TANAKA T, TAKESUE H, et al. Epigenetic regulation of drug transporter expression in human tissues [ J]. Expert Opin Drug Metab Toxicol, 2017 , 13 ( 1 ) : 19-30.

　　[7] KONIG J, MuLLER F, FROMM M F. Transporters and drug-drug interactions: important determinants of drug disposition and effects[ J] . Pharmacol Rev, 2013 , 65 (3) : 944-966.

　　[8] SIWO G H, TAN A, BUTTON-SIMONS K A, et al. Predicting functional and regulatory divergence of a drug resistance transporter gene in the human malaria parasite [Jl. BMC Cenomics, 2015, 16(1) : 1-13.

　　[9] BONDER M J, KASELA S, KALS M, et al. Genetic and epigenetic regulation of gene expression in fetal and adult human livers [J]. BMC Genomics, 2014, 15: 860.

　　[10] OBERSTADT M C, BIEN-MOLLER S, WEITMANN K, et al. Epigenetic modulation of the drug resistance genes MGMT, ABCBl and ABCG2 in glioblastoma multiforme [ J]. BMC Cancer, 2013 , 13 : 1 -14.

　　[11] WU L X, WEN C J, LI Y, et al. Interindividual epigenetic variation in ABCBl promoter and its relationship with ABCB1 expression and function in healthy Chinese subjects [J]. Br J Clin Pharmacol, 2015 , 80 ( 5 ) : 1109-1121.

　　[12] KOUKOURA 0, SIFAKIS S, SPANDIDOS D A. DNA methylation in endometriosis [ J ] . Mol Med Rep, 2016, 13 (4) :2939-2948.

　　[13] I.AM K, PAN K, LINNEKAMP J F, et al. DNA methylation based biomarkers in colorectal cancer: a systematic review [ J] .Biochim Biophys Acta, 2016 , 1866 ( 1) : 106-120.

　　[14] KOUKOURA 0, SPANDIDOS D A, DAPONTE A, et al. DNA methylation profiles in ovarian cancer: implication in diagnosis and therapy [J]. Mol Med Rep, 2014, 10(1) : 3-9.

　　[15] WILLIAMSON J S, HARRIS D A, BEYNON J, et al. Review of the development of DNA methylation as a marker of response t。 neoadjuvant therapy and outcomes in rectal cancer [J] . Clinical epigenetics, 2015, 7(1) : 1-9.

　　[16] ORR J A, HAMILTON P W. Histone acetylation and chromatin pattern m cancer. A review [Jl. Anal Quant Cytol Histol,2007, 29(1) : 17-31.

　　[17] FU L, JIN l., YAN L,, et al. Comprehensive review of genetic association studies and meta-analysis on miRNA polymorphisms and theumatoid arthritis and systemic lupus erythematosus susceptibility [ J] . Human immunology, 2016 , 77 ( 1 ) : 1-6.

　　[18] GAMBARI R, BROGNARA E, SPANDIDOS D A, et al. Targeting oncomiRNAs and mimicking tumor suppressor miRNAs: new trends in the development of miRNA therapeutic strategies in oncology ( Review) [J]. Int J Oncol, 2016, 49(l) : 5-32.

　　[19] KISS 0, TOKES A M, sPisAK s, et al. Breast-and salivary gland-derived adenoid cystic carcinomas: potential posttranscriptional divergencies.expression profiling of four relevance of the findings [ J]. A pilot study based on miRNA cases and review of the potentialPathol Oncol Res, 2015, 21(1) :29-44

　　[20] WANG Q X, ZHU Y Q, ZHANG H, et al. Altered miRNA expression in gastric cancer: a systematic review and meta- analysis [Jl. Cellular physiology and biochemistry, 2015, 35(3) : 933-944.

　　[21] MEGfAS-VERICAT J E, ROJAS L, HERRERO M J, et al. Positive impact of ABCBl polymorphisms in overall survival and complete remission in acute myeloid leukemia: a systematic review and meta-analysis [ Jl. Pharmacogenomics journal,2016 , 16 (1) : 1-2.

　　[22] ZHENG Q, WU H, YU Q, et al. ABCBl polymorphisms predict imatinib response in chronic ruyeloid leukemia patients: a systematic review and meta-analysis [ Jl. Pharmacogenomics joumal, 2015, 15(2) : 127-134.

　　[23] DENNIS B B, BAWOR M, THABANE L, et al. Impac:t of ABCBl and CYP286 genetic polymorphisms on methadone metabolism, dose and treatment response in patients with opioid addiction: a systematic review and meta-analysis [ J ]. PLoS one, 2014, 9(1) : e86114.

　　[24] MECfAS-VERICAT J E, ROJAS L, HERRERO M J, et al. Influence of ABCBl polymorphisms upon the effec:tiveness of standard treatment for acute myeloid leukemia: a systematic review and meta-analysis of ohservational studies [ J l. Pharmacogenomics journal, 2015 , 15 ( 2) : 109-118.

　　[25 ] MUGGERUD A A, RONNEBERG J A, WARNBERC F, et al. Frequent aberrant DNA methylation of ABCBl, FOXCl, PPP2R2B and PTEN in ductal carcinoma in situ ancl early mvasive breast cancer [Jl Breast cancer research, 2010, 12

　　[26] TOMIYASU H, FUJIWARA-IGARASHI A, GOTO-KOSHINIO Y, et al. Evaluation of DNA methylation profiles of the CpG island of the ABCBl gene in dogs with lymphoma [ J ] . American journal of veterinary research, 2014, 75 ( 9 ) : 835-841.

　　[27] WU L X, ZHAO H B, WEN C J, et al. Combined influence of genetic polymorphism and DNA methylation on ABCBI expression and function in healthy Chinese males [ Jl Eur J Drug Metab Pharmac.okinet, 2017 , 42 ( 4) : 627-634.

　　[28] WU L X, WEN C J, I,I Y, et al. Interindividual epigenetic variation in ABCBl promoter and its relationship with ABCB1 expression and function in healthy Chinese subjects [Jl Br J Clin Pharmacol, 2015 , 80 (5 ) : 1109-1021.

　　[29] REED K, HEMBRUFF S L, LABERCE M L, et al. Hypermethylation of the ABCBl downstream gene promoter accompanies ABCBl gene amplification and increased expression in docetaxel-resistant MCF-7 breast tumor cells [ J l. Epigenetics, 2008 , 3 ( 5) : 270-280.

　　[30] EL-KHOURY V, BREUZARD G, FOURRE N, et al. The histone deacetylase inhibitor trichostatin a downregulates human MDRl (ABCBl) gene expression by a transcription-dependent mechanism in a drug-resistant small cell lung carcinoma cell line model [Jl. Br J Cancer, 2007, 97(4) : 562-573.

　　[31] TOMIYASU H, GOTO-KOSHINO Y, FUJINO Y, et al. Epigenetic regulation of the ABCBl gene in drug-sensitive and drug-resistant lymphoid tumour cell lines obtained from c:anirie patients [Jl Veterinary journal, 2014, 199(1.) : 103-109.

　　[32] HAUSWALD S, DUQUE-AFONSO J, WAGNF:R M M, et al. Histone deacetylase inhibitors induce a very broad, pleiotropic anticancer drug resistance phenotype in acute myeloid leukemia cells by modulation of multiple ABC transporter genes [Jl. Clin Cancer Res, 2009 , 15 ( 11) : 3705-3715.

　　[33] XU Y, JIANG Z, YIN P, et al. Role for class I histone deacetylases in multidrug resistance [Jl. Exp Cell Res, 2012, 318 ( 3 ) : 177-186.

　　[34] BAKER E K, JOHNSTONE R W, ZALCBERC J R, et al. Epigenetic changes to the MDRl locus in response to chemo- therapeutic. drugs [Jl. Oncogene, 2005, 24(54) : 8061-8075.

　　[35 ] BRUHN 0, DRERUP K, KAEHLER M, et al. Length variants of the ABCB1 3 ' -UTR and loss of miRNA binding sites: possible consequence.s in regulation and pharmacotherapy resistance [ J] . Pharmacogenomics, 2016 , 17 ( 4) : 327-340.

　　[36] KOVALCHUK 0, F'ILKOWSKI J, MESERVY J, et al. Involvement of microRNA-451 in resistance of the MCF-7 breast cancer cells to chemotherapeutic drug doxorubicin [Jl. Mol Cancer Ther, 2008, 7(7) : 2152-2159.

　　[37] BAO L, HAZARJ S, MEHRA S, et al. Increased expression of P-glycoprotein and doxorubicin chemoresistance of metastatic breast cancer is regulated by miR-298 [Jl. Am J Pathol, 2012,180 ( 6) : 2490-2503.

　　[38] FENG D D, ZHANG H, ZHANG P, et al. Down-regulated miR- 331-5p and miR-27a are associated with chemotherapy resistance and relapse in leukaemia [ J] . J Cell Mol Med, 2011 , 15 ( 10) :2164 -2175 .

　　[39] GU C, XU Y, ZHANG S, et al. MIR-27a attenuates adipogenesis and promotes osteogenesis in steroid-induced rat BMSCs hy targeting PPAR7 3 and GREMl [J]. Scientific reports, 2016(6) : 38491.

　　[40] ZHAO W, ZHANC X, LIU J, et al. MiR-27a-mediated antiproliferative effects of metformin on the breast cancer cell line MCF-7 [Jl Oncology reports, 2016, 36(6) : 3691=3699.

　　[41] RAMALHO-CARVALHO J, MARTINS J B, CEKAITE L, et al. Epigenetic disruption of miR-130a promotes prostate cancer by targeting SEC23B and DEPDCl [Jl. Cancer letters, 2017, 385 : 150-159.

　　[42] SIGNORELLI S S, VOLSI G L, PITRU27.ELLA A, et al. Circ.ulating miR-130a, miR-27b, and ruiR-210 in patients with peripheral artery disease and their potential relationship with oxidative stress: a pilot study [ J.] . Angiology, 2016, 67 ( 10) :945 -950.

　　[43] BAER-DUBOWSKA W, MAJCHRZAK-CELINSKA A, CICHOCK;I M. Pharmocoepigenetics: a new approach to predicting individual drug responses and targeting new drugs [ J l. Pharmacological reports, 201 1 , 63 ( 2) : 293 -304.

　　[44] XU Q, WU X, XIONC Y, et al. Pharmacogenomic.s can improve antipsychotic treatment in schizophrenia [ J ] . Frontiers of medicine, 2013, 7(2) : 180-190.

　　[45] Tang H, mcgowan 0 0, Reynolds G P. Polymorphisms of serotonin neurotransmission and their effects on antipsychotic clrug action [ J ] . Pharmacogenomics, 2014 , 15 ( 12) : 1599-1609.

　　[46] CHISTIAKOV D A, OREKHOV A N, BOBRYSHEV Y V. Treatment of cardiovascular pathology with epigenetically active agents: focus on natural and synthetic inhihitors of DNA methylation and histone deacetylation [ J] . Int J Cardiol, 2017 (227) : 66-82.

　　[47] HALE V, HALE C A, BROWN P A, et al. A review of DNA methylation and microRNA expression in reCUITent pediatric acute leukemia [ J] . Oncology, 2017 , 92 ( 2) : 61 -67.

　　[48] OZKUL Y, GALDERISI U. The impact of epigenetics on mesenchymal stem cell biology [ Jl Joumal of cellular physiology, 2016 , 231 ( 11 ) : 2393-2401.

　　[49] VILLOTA-SALAZAR N A, MENDOZA-MENDOZA A, GONZALEZ- PRIETO J M. Epigenet]cs: from the past to the present [J]. Frontiers in life science, 2016 , 9 ( 4) : 347-370.