《Frontiers in Systems Biology》：Computational analysis and validation of UGT1A1/4 missense variants impacting tecovirimat metabolism in monkeypox patients
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摘要
引言：编码药物代谢酶的基因中的单核苷酸多态性（SNP）可显著影响患者对药物的反应。尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶1家族A1和A4（UGT1A1/4）是代谢特考韦瑞（tecovirimat）的关键酶，后者是首个获批用于治疗猴痘病毒的口服抗病毒药物。
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摘要
引言：编码药物代谢酶的基因中的单核苷酸多态性（SNP）可显著影响患者对药物的反应。尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶1家族A1和A4（UGT1A1/4）是代谢特考韦瑞（tecovirimat）的关键酶，后者是首个获批用于治疗猴痘病毒的口服抗病毒药物。
方法：本研究采用一套全面的计算机模拟工作流程，评估了UGT1A1基因编码区842个错义突变及非编码区308个SNP，以及UGT1A4基因编码区700个错义突变及非编码区324个SNP的有害效应。研究人员使用了多种计算机模拟预测、结构建模和分子对接工具进行综合分析。
结果：研究人员识别出六个可能损害UGT1A1/4酶结构完整性和功能的错义变异。具体而言，UGT1A1的SNP G308R、P356T和G374S，以及UGT1A4的SNP G309R、P357T和G375S被预测为最有害的错义SNP。
讨论：这些突变可能影响药物-酶结合，从而改变特考韦瑞的治疗效果。
研究背景：猴痘（Mpox）是由猴痘病毒（MPXV）引起的严重人畜共患感染，属于痘病毒科正痘病毒属，包含西非和刚果盆地两个分支。特考韦瑞（tecovirimat）是美国、加拿大和欧洲批准用于治疗猴痘感染的新型药物，于2022年猴痘疫情后获得FDA和EMA紧急授权。尽管已有少数药代动力学研究，但关于该药物的药物遗传学研究显著缺乏。UGT1A1/4基因编码尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶1A1/4（UGT1A1/4），位于人类染色体2q37.1的UGT1A基因复合体中，主要在肝脏和肠道表达，是代谢特考韦瑞的主要II相代谢酶。编码这些酶的基因中的单核苷酸多态性（SNP）可能改变蛋白质结构和功能，影响药物代谢，导致患者间疗效和毒性的广泛差异。现有关于UGT1A1/4错义SNP的信息有限，因为人类基因组中存在大量遗传变异且部分地区多态性图谱不完善。因此，有必要通过计算机模拟方法系统评估这些变异对特考韦瑞代谢的潜在影响。
研究人员开展了什么研究：本研究构建了多层计算框架，评估UGT1A1/4基因中错义SNP和非编码区SNP对酶结构与功能的影响，并预测其与特考韦瑞的相互作用。通过整合九种计算机模拟预测工具、稳定性分析、进化保守性分析、同源建模、分子对接及物理化学参数分析，研究人员识别出最有害的变异，并设计了特异性PCR引物用于后续实验验证。
结论：研究人员识别出六个可能具有临床意义的UGT1A1/4错义SNP（UGT1A1的G308R、P356T、G374S；UGT1A4的G309R、P357T、G375S），这些变异预测会改变酶功能和药物结合，可能影响猴痘患者对特考韦瑞的治疗反应。研究强调了药物遗传学指导剂量调整的潜在价值，特别是在弱势人群中。该研究发表在《Frontiers in Systems Biology》。
关键技术方法（不超过250字）：研究人员主要采用以下关键技术方法：（1）数据库检索：从ENSEMBL数据库获取UGT1A1/4的SNP数据，从UniProt获取野生型氨基酸序列。（2）有害性预测：使用九种计算机模拟工具（SIFT、PolyPhen-2、Mutation Assessor、PhD-SNP、SNAP、Meta-SNP、E-SNPs&GO、PANTHER、FATHMM）进行共识评分，仅当所有工具均预测为有害时才视为有害变异。（3）稳定性与进化保守性分析：利用I-Mutant和MuPro评估突变后稳定性；使用Consurf工具分析氨基酸进化保守性。（4）同源建模与验证：通过Swiss-Model构建野生型和突变型蛋白质三维模型，并经ERRAT、PROSA、QMEANDisCo、MolProbity验证结构质量。（5）分子对接：使用MOE软件进行特考韦瑞与酶蛋白的对接，分析结合模式和相互作用。（6）结构与物理化学参数分析：借助HOPE和DynaMut2分析结构变化，ProtParam计算理化参数。（7）非编码SNP评估：采用RegulomeDB和PolymiRTS数据库评估调控功能和miRNA结合位点影响。所有样本数据均来自公开数据库，无具体队列来源。
研究结果（保留每个小标题）：
3.1 数据获取与错义SNP有害性的计算机模拟判定：从ENSEMBL数据库中筛选出UGT1A1的842个SNP和UGT1A4的700个SNP。经过九种工具的一致有害性评分（9/9），识别出UGT1A1的14个SNP（L50R、G276R、G276C、G276D、G276V、G308R、P356T、G374S、G385S、P387S、P387R、P392S、G470S、G470D）和UGT1A4的10个SNP（G309R、G309E、P357T、G375S、G386S、P388S、P388R、P393L、G471S、G471D）作为高置信度有害候选。
3.2 突变后稳定性测定与进化保守性分析：I-Mutant和MuPro分析显示，除个别SNP外（如UGT1A1-G276C、UGT1A4-G309E、UGT1A4-P393L），其余21个SNP均降低结构稳定性。Consurf分析表明，所有研究的氨基酸均高度保守（评分8或9），且多数为埋藏/结构性残基，仅UGT1A1-P356、UGT1A1-G470、UGT1A4-P357、UGT1A4-G471为暴露/功能性残基。
3.3 结合腔预测：COACH工具分析UGT1A1/4酶的结合腔，发现位于结合腔内的氨基酸包括UGT1A1的G308、P356、G374以及UGT1A4的G309、P357、G375。仅这些位点的SNP被选入后续验证。
3.4 最有害SNP的建模与模型验证：Swiss-Model构建了野生型和六种SNP的蛋白质模型，并经严格验证。所有模型的ERRAT评分（94.88–95.27）、PROSA Z评分（?8.42至?8.59）、QMEANDisCo和MolProbity指标均在可接受范围内，确保了后续对接的可靠性。
3.5 分子对接：对接结果显示，野生型UGT1A1与特考韦瑞的对接S评分为?6.230 kcal/mol，野生型UGT1A4为?6.049 kcal/mol。突变型中，UGT1A1-G308R（?5.573）、P356T（?6.109）、G374S（?5.716）以及UGT1A4-G309R（?5.804）、P357T（?5.923）、G375S（?5.523）的评分均低于野生型。其中UGT1A1-G308R和UGT1A4-G375S的均方根偏差（RMSD）分别为12.17 ?和19.22 ?，表明配体在结合腔内的空间取向发生显著改变，可能产生无效结合。
3.6 结构与物理化学参数变化：HOPE和DynaMut2分析揭示了突变引起的氢键、极性、疏水和离子相互作用网络改变。例如，G308R（甘氨酸→精氨酸）导致氢键减少，并引入空间位阻和静电排斥；P356T（脯氨酸→苏氨酸）失去大量疏水相互作用；G374S（甘氨酸→丝氨酸）虽维持氢键数量，但极性相互作用增加。ProtParam显示，所有六种有害SNP均改变了蛋白质的分子量、原子组成、不稳定指数和亲水性平均值。
3.7 非编码SNP评估：RegulomeDB对UGT1A1的135个SNP和UGT1A4的177个SNP进行排序，多数为第4和5级，影响转录因子结合和染色质可及性。PolymiRTS分析识别出12个3'UTR变异可能影响miRNA结合位点功能。
总结讨论：研究人员对识别出的六个最有害SNP进行了深入讨论。这些突变位于进化保守区和酶结合腔，通过改变氨基酸大小、电荷和刚性破坏蛋白质结构和功能。甘氨酸→精氨酸（G308R、G309R）引入正电荷和位阻；脯氨酸→苏氨酸（P356T、P357T）丧失刚性构象和疏水稳定性；甘氨酸→丝氨酸（G374S、G375S）限制主链柔性。分子对接中，尽管S评分差异不大，但RMSD值（>12 ?）表明配体取向严重偏离，可能导致非生产性结合。此外，非编码SNP的调控效应可能进一步影响基因表达。研究局限性在于仅依赖计算机模拟预测，需通过体外和体内实验验证。
研究结论部分翻译：在本工作中，研究人员识别出六个有害的UGT1A1/4 SNP（即UGT1A1的G308R、P356T和G374S，以及UGT1A4的G309R、P357T和G375S），这些突变可能对特考韦瑞代谢具有重要的临床意义。研究结果预测这些突变改变酶功能和药物结合，可能导致猴痘患者对药物的反应改变。这些预测凸显了药物遗传学指导剂量调整在提高疗效和减少不良反应方面的潜在价值，尤其是在弱势人群中。本研究的局限性在于其侧重于计算机模拟预测。因此，未来的研究应运用分子动力学模拟评估相互作用稳定性。尽管我们的计算分析可能提供关于潜在有害突变的有价值预测，但这些结果仍是初步的。后续必须通过体外和体内研究进行实验验证，以明确携带这些变异的患者中特考韦瑞的药效学和药代动力学特征。这些功能分析和患者研究是将这些计算洞见转化为可行诊断和治疗策略的关键下一步。
