8-药物基因组学与临床用药

第八章药物基因组学与临床用药PHARMACOGENETICS第一节概述某些人由于对药物的作用非常敏感而产生特异质反应，而另一些人由于遗传特征的不同而对药物具有很强的耐药性。在环境因素一致条件下，不同个体对药物反应的差异主要取决于遗传因素。PotentialofPharmacogenomicsAllpatientswithsamediagnosis12RespondersandpatientsnotpredisposedtotoxicityNon-respondersandtoxicrespondersTreatwithalternativedrugordoseTreatwithconventionaldrugordose是由于某些病人血浆胆碱酯酶灭活减慢，作用增强并延长的缘故。这一不良反应与葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G-6-PD）缺乏导致对伯氨喹敏感的红细胞内谷胱甘肽浓度降低有关。现在可以将其归因于乙酰化酶缺陷者对诸如异烟肼、普鲁卡因胺和苯肼哒嗪等氧化性药物的不良反应。“伯氨喹溶血症”在非洲黑人中较白种人更常见?许多病人口服异烟肼发生外周神经炎?对肌松药琥珀胆碱的异常反应（呼吸肌麻痹甚至死亡）?2020/2/114医生开写处方时,必须考虑不同病人清除药物的固有能力是不同的一位具有迅速代谢药物能力的人，为获得适宜的治疗浓度，可能需要更高的剂量、更频繁地给药一位代谢能力缓慢的病人，为避免发生毒性反应，可能需要较低的剂量和较少的给药次数对于安全范围较窄的药物尤其重要•遗传药理学(Pharmacogenetics)又称药理遗传学，它研究机体遗传因素对药效学和药动学影响的学科，是近年来药理学与遗传学、生物化学、分子生物学等多学科相结合发展起来的边缘学科。遗传药理学的建立•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于遗传决定的酶缺损而引起的•Vogel于1959年首先使用“遗传药理学（pharmacogenetcis）”这一名词遗传药理学的里程碑工作•1956，Carson等发现对伯氨喹敏感者G6PD缺乏•1957，Kalow证实对琥珀胆碱反应异常是胆碱酯酶的亲和力异常所致•1960，Evans等发现了异烟肼代谢率的遗传差异•2000，人类基因组项目完成人类基因组计划——促进了遗传药理学的发展1990年10月美国正式启动人类基因组计划(HumanGenomeProject，HGP)大多数药物代谢酶系统的特征是基因和基因产物的多重性CYP450超家族由13个家族和许多亚家族组成人类基因组计划将最终提供所有P450系列、解释基因的复杂性HGPdatareportedbyCeleraandPublicConsortium“TheSequenceoftheHumanGenome”“InitialSequencingandAnalysisoftheHumanGenome”48pages62pages2/16,20012/15,2001•DNA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。•染色体(chromosome)真核生物的细胞核中由DNA、蛋白质和少量RNA所组成的核蛋白线状物，能被碱性染料染色，故名染色体。它是遗传物质的载体。在细胞分裂过程中经染色在显微镜下可看到它有一定的形态结构和变化规律。原核生物和病毒的染色体则只由DNA或RNA所组成。•基因（gene）储有遗传信息的DNA片段称为基因。•等位基因(allele)一个基因在同源染色体的相同座位上的一种形式。•表型(phenotype)药物疗效的个体差异为表型。在基因水平上描述遗传特征，例如血红蛋白S等位基因引起的镰状细胞贫血。•基因型(genotype)与药物作用有关的基因结构为基因型。描述明显的遗传特征。表型分型通过检测个体的代谢能力来间接分析基因变异。选择某些药物代谢酶的特定底物作为探针药物，给受试者口服之后收集一定时间的血样或尿液，采用HPLC等手段分离测定血（尿）中原型药物和代谢物，计算原型药物/代谢物摩尔浓度比值(MR)，依据一定的分界点（antimode）将受试者区分为慢代谢(PM)、中代谢(IM)、快代谢(EM)和极快代谢者(UM)。表型分型•可直观地反映出受试者对某些药物在体内代谢的快慢程度。右美沙芬－CYP2D6酶的表型测定美芬妥英－美芬妥因羟化酶（CYP2C19)的表型咖啡因－N-乙酰化酶（NAT2)的表型测定•特异性探针有限；卧床病人服药留尿有困难；某些药酶抑制剂如氟西汀、特比萘芬会导致分型结果不正确•单基因遗传变异(monogenicvariance）是指一个等位基因发生变异而影响药物代谢。它是指性状或疾病按照孟德尔提出的“分离律”和“自由组合律”而传递，家族遗传性强。单基因遗传在人群中的分布特点是“多峰”不连续曲线分布。单基因遗传方式•常染色体显性遗传•常染色体隐性遗传•性连锁(X连锁)显性遗传•性连锁(X连锁)隐性遗传常染色体显性遗传•变异基因属于显性基因，纯合子、杂合子都表现出疾病。患病情况常有较大可变性。有些致病基因子代可以显现，但也有隔代后重现者。•乙醛脱氢酶代谢、香豆素抗凝血作用耐受症、恶性高热症等属于常染色体显性遗传。常染色体隐性遗传•变异基因属隐性基因，纯合子才表现疾病，杂合子不表现。遗传与性别无关。•乙酰化多态性、乙醇敏感性增高、α1-抗胰蛋白酶缺陷、CYP2C19多态性、CYP2D6多态性、硫嘌呤甲基转移酶缺陷等属于隐性遗传。性连锁(X连锁)显性遗传致病基因属于性染色体上的显性基因,女性获得显性基因机率高于男性一倍。性连锁(X连锁)隐性遗传•性连锁遗传主要系指X染色体所携带的基因遗传。致病基因系指位于X染色体上的隐性基因。•男性发病率高于女性。•G6PD缺陷、吡哆醇反应性贫血、血管加压素耐受症属于这类遗传。•杂合子（heterozygote）指在一对同源染色体的特定位点上具有两个不同等位基因的个体。•纯合子（homozygote）指在一对同源染色体的特定位点上具有两个相同等位基因的个体。•中间性遗传（intermediateinheritance）在杂合子状态下，部分表现出来的基因，称为不完全性基因。•共显性（codominance）指在杂合子中，两个等位基因都能得到表现。多基因遗传•多基因遗传是由许多因子（遗传的和环境的）决定的遗传。遗传的因子是多基因，这意味着由不同基因位置上的许多基因所决定的，每个基因有一份小的附加效应。第三节、药物基因组学的研究内容（一）细胞色素P450酶系（二）乙醛脱氢酶（三）丁酰胆碱酯酶（四）N-乙酰化转移酶（五）甲基转移酶（六）尿苷二磷酸-葡萄糖醛酸转移酶（七）单胺氧化酶DrugMetabolizingEnzymes2020/2/1125血红素蛋白（P450）黄素蛋白（NADPH-细胞色素C还原酶）磷脂（磷脂酰胆碱）细胞色素P450(CYP450)酶CYP450细胞色素P-450(CYPs)•细胞色素P450酶系是一组由结构和功能相关的超家族(superfamily)基因编码的含铁血红素同工酶其催化的总反应是:目前其成员已发现600多种，分为132个家族，其成员氨基酸序列同源性40%的属于同一家族，60%的属于同一亚家族命名CYP2D6（mouseCyp）CYPsNADPH+H++O2+R-HNADP++H2O+R-OH2:家族D:亚家族6:单酶GCCCACCTCGCCCGCCTCPatientAPatientBWildtypeMutationWildtypeConcentrationMutationConcentrationTimeTimeCYP450CYP450SamedosebutdifferentplasmaconcentrationsPGtandDrugMetabolism细胞色素P450底物抑制剂诱导剂CYP1A2咖啡因，茶碱，对乙酰氨基酚呋拉茶碱，喹诺酮类，氟伏沙明吸烟，奥美拉唑CYP2A6香豆素/巴比妥类，地塞米松CYP2C9甲苯磺丁脲，苯妥英，华法林磺胺苯吡唑利福平，抗惊厥药CYP2C19（S）-美芬妥英，奥美拉唑，地西泮苯环丙胺利福平CYP2D6异喹胍，右美沙芬，美托洛尔奎尼丁，特比萘芬/CYP2E1氯唑沙宗，乙醇，硝基苯酚4－甲基吡唑乙醇，利福平CYP3A4咖啡碱，环孢素，二氢吡啶类，利多卡因，咪达唑仑醋竹桃霉素，孕二烯酮，五羟黄酮地塞米松，利福平，苯妥英，苯巴比妥7种与药物代谢有关的重要细胞色素P450酶29•CYPlA2是CYP450超家族中一个重要药物氧化代谢酶，它催化体内药物如咖啡因、华法林、醋氨酚、茶碱、普萘洛尔等的代谢。•此外还参与内源活物质17β-雌二醇、雄烯二酮代谢和许多前致癌物或前毒性物质在体内的激活。细胞色素P4501A2(CYP1A2）2020/2/1130•编码人类CYPlA2的基因位于15号染色体上，全长7.8kb，包括7个外显子和6个内含子。•CYPlA2基因具有遗传多态性。•现已发现15种突变等位基因，其中四种具有功能意义，其中CYPlA2*1F可引起CYPlA2诱导性增强，其发生率在中国人群中约为0.67。其他均导致CYPlA2活性降低。2020/2/1131•CYPlA2活性增强可能是结肠癌、膀胱癌和肺癌的危险因素。•CYPlA2的C734A基因多态性可能与抗精神病药物所导致的迟发性运动功能障碍有关。2020/2/1132•经CYP2C9代谢的药物有华法林、苯妥因、洛沙坦、依贝沙坦、甲苯磺丁脲、格列口比嗪、氟伐他汀、托塞咪、三甲双酮及各种非甾体类抗炎药如双氯芬酸和布洛芬。•它还参与一些前药如环磷酰胺和异环磷酰胺以及前致癌物质的激活。部分激素和内源性物质也是CYP2C9的底物，如孕酮、睾酮、花生四烯酸和亚油酸等等。细胞色素P4502C9(CYP2C9）2020/2/1133•编码人类CYP2C9蛋白的基因定位于10号染色体。•CYP2C9*3是中国人中已知的主要突变等位基因，其频率2.1％~4.5％。2020/2/1134细胞色素P4502C19(CYP2C19）•CYP2C19亦是多态性表达的P450酶。为代谢S-美芬妥英的氧化酶，也称S-美芬妥英4’-羟化酶。•CYP2C19基因定位在10号染色体(10q24．1-10q24.3)，至少存在14种突变基因。2020/2/1135•人群中常见的突变等位基因为CYP2C19*2与CYP2C19*3。•CYP2C19*2等位基因在亚裔人(25%)的出现频率大于白种人(13%)。•而CYP2C19*3频率亚裔人为8%白种人小于1%。2020/2/1136细胞色素P4502D6(CYP2D6)酶•仅占肝脏中总CYP的1%~2%，但已知经其催化代谢的药物却多达80余种。包括β受体阻滞剂、抗心律失常药、抗精神病药等。•异喹胍经CYP2D6氧化代谢生成4-羟异喹胍经尿排泄。异喹胍的氧化代谢在人群呈现二态分布，其表型表现为强代谢者(EM)和弱代谢者(PM)。2020/2/11ManyCYP450EnzymesArePolymorphic:ExampleCYP2D6Family:CYP2Subfamily:CYP2D6Gene:CYP2D6*3•Responsibleformetabolismof40%ofallRxdrugs•Over300millionRx’sfordrugswithpolymorphismperyear“Classic”Pharmacogenetics(CYP2D6)Meyer(2004)NatRevGenetics5:669-7639•迄今已发现与CYP2D6有关的50多处突变和70多个等位基因。其中许多可导致慢代谢表型(PM)的出现。•不同CYP2D6等位基因的频率存在着种族差异。例如白种人PM发生率为5%~10%而中国人仅为1%左右；相反中国人却存在着约36%酶活性下降的中速代谢者(IM)，其分子机制为存在着催化