第五章药物基因组学

目录第五章药物基因组学第一节药物基因组学基础一、遗传药理学的发展二、药物基因组学的遗传学基础三、基因多态性的类型四、多态性研究的整体思路第二节药物代谢酶的遗传药理学一、I相代谢酶二、II相代谢酶第三节药物转运体基因多态性一、ABC转运体二、SLC超家族第四节药物受体基因多态性一、肾上腺素受体基因多态性二、血管紧张素Ⅱ型受体三、过氧化物酶体增殖物激活受体四、μ阿片受体五、磺脲类受体六、维生素K环氧化物还原酶复合体1第五节基因芯片技术在药物基因组学研究中的应用一、基因芯片的原理二、基因芯片的分类三、基因芯片的产品四、基因芯片的应用前景第六节药物基因组学临床应用的机遇与挑战第五章药物基因组学影响患者对药物反应的因素有很多，包括患者本身的内在因素如年龄、性别、种族/民族、遗传、疾病状态和器官功能，还有其它生理变化，包括怀孕、哺乳,以及外源性因素如吸烟和饮食。基因变异可导致疾病表现和药物反应的多样性这一观念目前已得到广泛认可，并经许多的研究证实。对于一些遗传因素影响研究比较明确的药物，在治疗上可以根据基因信息的指导进行给药，避免其毒性并使治疗效果达到最优化。此外，对于药物反应个体化差异的遗传机制的研究，有助于降低新药研发中不可预期毒性的风险，明确哪些病人将会有最好的治疗效果，收益程度最大；或者淘汰那些对患者疗效不佳、容易出现严重不良反应的新药。越来越多的经美国FDA批准的药品说明书中都提供了药物基因组学方面的信息。生物学信息在药物的研发、管理和临床应用方面的融合和使用在以后将会继续增长。药物基因组学为临床医生和临床药师提供了很大程度上改善几百万患者药物治疗效果的机会。但是，这个机会的利用却受到阻碍和挑战，并且新的知识还在不断的更新。本章节将通过药物基因组学基础知识和具体疾病结合应用的学习帮助临床药师迎接这一挑战，提高将药物基因组学知识运用到日常临床实践中的能力。第一节药物基因组学基础一、遗传药理学的提出美国药学科学家协会（AAPS）将遗传药理学（Pharmacogenetics）定义为一门研究药物反应个体差异遗传机制的科学。遗传药理学的研究历史可以追溯到公元前510年，当时Pythagoras发现有一些人摄入蚕豆后会发生致死性的发应，而其它大部分人则不会有这种反应。从那时起，许多里程碑性的发现（见表1）逐渐形成了现在的研究领域。遗传药理学较重要的发展时期是在20世纪50年代，Motulsky和Vogel正式将遗传药理学作为一门药理学分支提出来。Motulsky在1957年认为对药物的异常反应有时是由遗传决定的酶缺损而引起的，Vogel则首先使用“遗传药理学（Pharmacogenetics）”这一名词。20世纪90年代，药物基因组学（pharmacogenomics）这一术语开始出现在一些科学著作中。它的出现源于全基因组学技术的出现和兴起。美国药学科学家协会对药物基因组学的定义是“全基因组水平分析药物效应和毒性的遗传标记”。遗传药理学主要着重于染色体上单个或少量基因的研究，从药物代谢动力学和药物效应动力学两方面研究DNA序列的变异在药物反应个体变异中的作用。机体内药物作用靶点（受体）、药物转运体和药物代谢酶是在一定基因指导下合成的，所以遗传基因的变异是构成药物反应差异的决定因素。而药物基因组学的研究范畴更大，包括全基因组上决定药物效应的所有基因。药物基因组学的目的在于系统性的评价基因的相互作用系统如何影响疾病的易感性、药理学功能、药物处置和药物治疗反应。其最初的一个目的是去发现可能在疾病的诊断、分期和分类上给予协助的遗传标记。另外也寻求新药研发的完善，产生最理想的药理效应。药物基因组学有望对目前的一些大的制药公司的新药研发模式产生影响。从本质上来说遗传药理学是药物基因组学的一个分支。表1.遗传药理学和药物基因组学历史事件回顾年代人物里程碑事件510B.CPythagoras认识到食蚕豆的危险，后来阐明是由于G6PD的缺乏1866Mendel建立遗传定律1906Garrod出版了“先天性代谢紊乱”1932Snyder明确苯硫脲味盲为常染色体隐性遗传1956Carson发现G6PD的缺陷1957Motulsky提出代谢的遗传缺陷可以解释药物反应的个体化差异1957Kalow&Genest描述了血浆胆碱脂酶缺乏现象1957Vogel首次应用“遗传药理学”这一术语1960PriceEvans明确了乙酰化多态性的的存在1962Kalow发表了“遗传药理学－遗传和药物效应”一文1977/79Mahgoub和Eichelbaum发现了异喹胍羟化酶和司巴丁氧化酶的多态现象1988Gonzalez发现了异喹胍羟化酶的基因缺陷，后来确定了CYP2D61988–2000Various确定了I相和II相代谢酶，以及后来的转运体的多态性2000Public-privatepartnership完成人类基因组草图2000TheInternationalSNPMapWorkingGroup完成了包含142万SNPs的人类基因组序列的鉴定二、药物基因组学的遗传学基础遗传的主要物质基础是细胞核染色体上的DNA，DNA是携带遗传基因、传递遗传信息最基本的物质。正常人细胞中有23对染色体。其中22对常染色体，一对性染色体。储有遗传信息的DNA片段称为基因。DNA分子是由2条平行的多核苷酸链围绕同一中心轴构成的双螺旋结构，多核苷酸的方向由核苷酸间的磷酸二酯键的走向决定，一条从53，另一条从35，两条链呈反向平行排列，彼此由氢键相连。每个核苷酸由1个磷酸、1个五碳糖和1个碱基三部分组成。DNA分子中存在4种碱基，2个嘧啶碱基是胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）,2个嘌呤碱基是腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）。在所有DNA分子中，一条链上的A总是与另一条链上的T互补配对（A＝T），而C总是与G配对（CG）。碱基对的顺序决定了DNA的序列，进而氨基酸的序列也由此决定。自然界中，某一群体同种生物常在某些方面有所不同，存在两种或两种以上变异型的现象，成为多态性（polymorphism）。多态性的产生是多个不同等位基因作用的结果，一般认为变异频率超过1％为遗传多态性。多态性的存在形式有几种，单个核苷酸碱基的变异称为单核苷酸多态性（singlenucleotidepolymorphism，SNP），其它多态性的形式包括基因缺失变异和基因重复序列变异等。多态性可以影响基因的表达，蛋白的功能和活性。另外，在DNA序列未改变的情况下也可以发生基因表达的改变，例如表观遗传（epigenetics).由于没有一个被大家普遍接受的SNP统一命名法，对于SNPs的描述方法有很多种。有根据特定基因和变异的位置用数字和字母进行表示的，比如ABCB13435CT，ABCB1是基因的名称－三磷酸腺苷结合盒蛋白B1(Adenosine-triphosphatebindingcassetteproteinB1,ABCB1),其编码P-糖蛋白（P-glycoprotein，P-gp)，数字3435表示SNP在DNA上的位置，C代表原始或参考核苷胞嘧啶，字母T是指改变了的核苷胸腺嘧啶（突变核苷）。也可以根据等位基因来表示SNP。等位基因(allele)是指在染色体某一特定位置上基因多个变异形式中的一种。等位基因也可以表述为基因的原始（或参考）形式。人类是二倍体生物，每个染色体和特定的基因都有两个拷贝，因此人类具有两个等位基因。一个等位基因来自于生物学上的父亲，一条来自于生物学上的母亲，一个蛋白可以有两个不同的等位基因亚型。以CYP2C19来说，CYP2C19*1,CYP2C19*2和CYP2C19*3是三个不同的等位基因亚型，前面几个字母CYP2C19是指蛋白，*和后面的数字是表示等位基因亚型。亚型的识别与每一个等位基因的功能影响相关。TheCYP2C19*1等位基因使得个体的酶活性表现为正常（或野生型），相反，具有CYP2C19*2和CYP2C19*3等位基因的个体酶活性缺失。个体的基因型是由两个等位基因共同决定的。以CYP2C19来说，如果两个等位基因均是CYP2C19*2,那么这个个体的基因型是纯合子，命名为CYP2C19*2/*2。相反，如果一个等位基因是CYP2C19*2，另一个等位基因是CYP2C19*3，那么这个人的基因型是杂合子CYP2C19*2/*3。酶的活性由基因型决定，CYP2C19*1/*1基因型的酶活性正常，CYP2C19*1/*2和CYP2C19*1/*3基因型的酶活性降低，CYP2C19*2/*2、CYP2C19*2/*3和CYP2C19*3/*3基因型的个体则CYP2C19酶活性缺失。以上两种SNP的命名法都是基于单个基因的多态性，在某些情况下，蛋白功能的影响因素不只来自于单个基因，要根据单倍型来进行分析。单倍型是指在同一染色体上进行共同遗传的多个紧密连锁的等位基因的组合。三、基因多态性的类型（一）非同义SNP非同义SNP是指核苷酸的变化改变了mRNA上的遗传密码，导致相应的氨基酸也发生了变化。有些非同义SNP不影响蛋白质或酶的生物活性，不表现出明显的表型效应，这种突变属于中性突变，一般对人体并无影响。但在某些情况下也会发生严重后果。硫代嘌呤甲基转移酶(TPMT)主要代谢嘌呤类药物（如硫唑嘌呤，6-巯嘌呤），TPMT*3A就是一个非同义SNP，DNA上的G被A取代，导致相应的丙氨酸转变为苏氨酸，TMPT的活性降低，相应的嘌呤类药物的毒性增加。（二）同义SNP同义SNP是指核苷酸的替换没有导致氨基酸的改变。这是由于密码子具有兼并性，mRNA的密码子改变前后所编码的氨基酸一样。同义SNP有时也称为沉默SNP。ABCB13435CT就是一个同义SNP，胞嘧啶（C）被胸腺嘧啶(T)所取代，但所编码的氨基酸没有改变。实验表明ABCB13435CT可导致P-gp表达和功能降低，这一现象有可能是通过降低mRNA的稳定性来实现的。在一项HIV感染病人的病例对照研究中发现，依法韦仑肝毒性的降低与ABCB13435CT的多态性相关。但相反的是，携带ABCB13435CT变异的病人环孢素的药动学和毒性风险都没有显著性改变。依法韦仑和环孢素结果的不一致性有可能是这一“沉默”的多态性改变了P-gp底物的相互作用位点。最近的研究也证实了P-gp通过部分重叠但又不同的结合位点来识别多种底物。（三）未成熟终止密码多态性未成熟终止密码是指当核苷酸发生变化时，不再编码相应的氨基酸，蛋白的合成也被终止。CYP2C19*3等位基因就是一个未成熟终止密码，其鸟嘌呤被腺嘌呤取代，导致蛋白合成提前终止，CYP2C19酶活性丧失。质子泵抑制剂奥美拉唑和兰索拉唑就受到CYP2C9基因型的影响。研究报道CYP2C19*2/*3基因型的患者奥美拉唑的曲线下面积是CYP2C19*1/*1基因型携带者的12倍。奥美拉唑药动学的改变可以影响到其临床效果。采用奥美拉唑和阿莫西林联合治疗的HP阳性的消化性溃疡病患者，CYP2C19*2/*3和CYP2C19*1/*1基因型患者的治愈率分别为100％和28.6％。（四）可变重复序列多态性可变重复序列多态性是指DNA序列中有重复核苷酸序列的插入，其可以增加、降低或者对蛋白的活性没有影响。具有正常活性的UGT1A1酶基因具有6个TA二核苷酸的重复，命名为UGT1A1*1等位基因。UGT1A1*28具有额外的一个TA二核苷酸序列，形成了7个TA二核苷酸的重复。UGT1A1*28等位基因引起UGT1A1酶表达和活性的降低，伊立替康的毒性风险就和UGT1A1*28的可变重复序列多态性相关。（五）基因缺失多态性对某些基因来说，可以有几千个核苷酸的缺失。CYP2D6亚家族有50多个等位基因突变亚型，其中CYP2D6*5等位基因就是基因缺失多态性。变异的结果是CYP2D6整个基因的缺失和CYP2D6酶活性的丧失。（六）基因拷贝数变异多态性基因拷贝数的变异是指包含特定基因的几千个核苷酸序列的重复。从本质上来说，同一基因的另一拷贝在DNA中是存在的。在一些情况下，有些基因可以有2-13个拷