揭秘药物诱导的顺式调控元件：解锁药物不良反应的基因组密码

在药物研发和使用中，理解基因变异对药物疗效和不良反应（ADRs）的影响至关重要。研究人员开展药物诱导的顺式调控元件（CREs）研究，发现多个与 ADRs 相关的 CREs 及功能等位基因，为解析 ADRs 的基因组基础提供了关键线索。

　　在生命科学和医学领域，精准用药一直是研究的热点与难点。人体基因组的差异，就像一把把独特的 “钥匙”，影响着每个人对药物的反应，导致药物疗效和不良反应（ADRs）存在显著个体差异。过去几十年，虽然在药物基因组学方面取得了不少成果，发现了一些能调节药物反应的编码区变异，比如细胞色素 P450 家族的 CYP2C9^*2、CYP2C9^*3 、CYP2C19^*2和 CYP2C19^*3等错义多态性会降低酶活性，影响药物代谢 。但令人遗憾的是，对于占据基因组绝大部分的非编码区，尤其是其中的顺式调控元件（CREs，如启动子和增强子，它们能在靶基因附近或远处控制基因表达 ）在药物反应中的作用，却知之甚少。

为了填补这一空白，来自东京都医学科学研究所基因组与医学科学研究中心等机构的研究人员开展了一项重要研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为深入理解药物反应和 ADRs 的基因组基础带来了新曙光。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先是基因表达帽分析（CAGE）技术，用于在全基因组范围内定量分析转录起始，从而识别潜在的 CREs；其次，借助染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）技术，研究孕烷 X 受体（PXR，一种药物激活的转录因子，主要在肝脏和肠道表达，能被多种处方药激活 ）的结合位点；此外，还利用了 CRISPR/Cas9 基因编辑技术、荧光素酶报告基因检测、小干扰 RNA（siRNA）敲低实验等，来探究 CREs 的功能和调控机制。研究中使用的细胞系，如稳定表达人 PXR 的 HepG2 细胞系（ShP51 细胞），为实验提供了重要模型。

下面来详细看看研究结果：

• 全基因组扫描药物诱导的 CREs：研究人员选用 ShP51 细胞作为体外人肝细胞模型，通过 CAGE 技术对其进行全基因组扫描，以探究对利福平处理的反应。结果发现了 90,871 个 CRE 候选区域，其中 2,398 个（2.6%）在利福平处理后显著诱导（错误发现率 < 0.1 ）。这些 CREs 涵盖了已知基因的启动子和远端区域，且其附近基因的功能富集分析表明，它们与类固醇代谢、维生素代谢和白细胞介导的免疫等生物学过程密切相关。同时，通过分层连锁不平衡分数回归分析（S-LDSC）发现，这些候选 CREs 与血清中维生素 D 和胆红素水平相关的变异显著富集，暗示它们可能是影响这些表型的重要调控元件。
• PXR 结合的药物诱导 CRE 候选区域：研究人员进一步筛选出在人原代肝细胞中直接被 PXR 靶向的 CRE 候选区域，从 2,398 个利福平诱导的 CRE 候选区域中，确定了 364 个与 PXR 结合位点重叠的区域，包括 217 个启动子和 147 个增强子，并分别命名为药物诱导且 PXR 结合的启动子（DPP）和增强子（DPE）。在这些区域中，发现多个与胆红素和维生素 D 水平相关的单核苷酸多态性（SNPs），例如 DPE15 - 17 与胆红素水平相关，DPE70 - 72、DPE127 - 129 与维生素 D 水平相关。siRNA 敲低 PXR 实验表明，这些诱导的 CREs 可能通过 PXR 影响相关基因（如 UGT1A1、CYP24A1 和 TSKU）的表达。
• UGT1A1 增强子的功能研究：UGT1A1 在药物代谢和胆红素代谢中起着关键作用。研究发现 DPE15（PBREM - like）与已知的 UGT1A1 增强子 PBREM 序列相似度高达 92%，通过 CRISPR/Cas9 敲除实验证实，PBREM - like 和 PBREM 一样，对 UGT1A1 的表达至关重要，二者缺失都会显著降低 UGT1A1 的表达。DPE17 作为 UGT1A1 内含子中的增强子，其缺失也会大幅降低 UGT1A1 的表达，并且该区域的一些 SNP 变异会改变其调控活性。此外，研究还发现这些增强子对 UGT1A 基因座中不同的启动子影响各异，如内含子增强子对所有 UGT1A 亚型都起增强作用，PBREM 主要作用于产生 UGT1A1 和 UGT1A3 的下游启动子，同时抑制其他 UGT1A 亚型，而 PBREM - like 则特异性靶向 UGT1A1 启动子 。
• CYP24A1 超增强子的作用：PXR 激活会导致维生素 D 缺乏，这可能与 CYP24A1 的上调有关，CYP24A1 编码的酶能促进维生素 D 的排泄。研究发现，在 CYP24A1 下游有三个药物诱导且 PXR 结合的增强子（DPE127 - 129），它们构成了一个超增强子的一部分。CRISPRi 实验显示，抑制 DPE128 会显著降低 CYP24A1 的表达，表明其在肝细胞模型中具有调控活性。同时，该区域的两个 SNP（rs6013892 和 rs158523）与维生素 D 水平相关，且会改变 PXR 介导的调控活性，主要单倍型（rs6013892 - C 和 rs158523 - T）具有最强的转录活性，而变异后的单倍型活性显著降低 。
• TSKU 超增强子对维生素 D 代谢酶的影响：在与维生素 D 水平相关的增强子候选区域中，有三个（DPE70 - 72）位于 TSKU 上游。研究发现，TSKU 上游的一系列药物诱导 CREs 构成了一个超增强子，敲除该区域会显著降低 TSKU 的表达。进一步研究表明，TSKU 能通过抑制 CYP24A1 基因和激活 CYP27A1、CYP27B1 基因来上调维生素 D 水平，虽然这种调控关系可能是间接的，但揭示了 TSKU 在维生素 D 代谢中的重要作用 。

研究结论和讨论部分表明，该研究系统地分析了药物诱导的 CREs，发现了许多与药物反应和 ADRs 相关的调控元件、等位基因和调控级联。这些发现不仅加深了人们对药物代谢和 ADRs 的理解，还为精准用药提供了更坚实的理论基础。比如，对 UGT1A1 增强子的研究有助于更准确地预测和评估某些药物（如伊立替康）治疗时的不良反应风险；对 CYP24A1 和 TSKU 相关调控元件的发现，为解释 PXR 激活药物导致维生素 D 缺乏的机制提供了新视角。未来，这些研究成果有望推动药物研发和临床治疗的发展，实现更精准、更安全的用药目标，让患者能够根据自身的基因组特征，获得更合适的药物治疗方案，减少不良反应的发生，提高治疗效果。