藥學分子生物學：藥物基因組學

1、藥物基因組學,2,Rx + =,Rx + =,?,Rx + =,3,Rx + =,Rx + =,Differences in genetic constitution,Rx + =,PHARMACOGENETICS,4,The study of genetically controlled variations in drug response,基因（Gene）：生物體的遺傳單位，由脫氧核糖核酸（DNA）組成。DNA由4種核苷酸（A、T、C、G）組成。,人類基因組的23對染色體,從DNA到蛋白質(zhì),From DNA to Human,人類基因組計劃（human genome project, H

2、GP）,1985年美國科學家諾貝爾獎獲得者Renato Dulbecco 率先提出 1990年正式啟動 美、英、法、德、日、中 2000年6月26日人類基因組工作草圖完成。,我國94年啟動“中華民族基因組若干位點基因研究”“重大疾病相關(guān)基因研究”課題，99年承擔了人類基因組1%序列的測序任務，負責第3號染色體3千萬核苷酸的序列測定工作。,在人類基因組計劃中，還包括對五種生物基因組的研究：大腸桿菌、酵母、線蟲、果蠅和小鼠，稱之為人類的五種“模式生物”。,什么是基因組(Genome)?基因組就是一個物種中所有基因的整體組成。 人類基因組有兩層意義：遺傳信息和遺傳物質(zhì)。 要揭開生命的奧秘，就需要從整

3、體水平研究基因的存在、基因的結(jié)構(gòu)與功能、基因之間的相互關(guān)系。 HGP：為30多億個堿基對構(gòu)成的人類基因組精確測序，發(fā)現(xiàn)所有人類基因并搞清其在染色體上的位置，破譯人類全部遺傳信息。,人類基因組計劃（human genome project, HGP）,HGP的目的是解碼生命、了解生命的起源、了解生命體生長發(fā)育的規(guī)律、認識種屬之間和個體之間存在差異的起因、認識疾病產(chǎn)生的機制以及長壽與衰老等生命現(xiàn)象、為疾病的診治提供科學依據(jù)。,后基因組時代,人類后基因組計劃是由序列（結(jié)構(gòu)）基因組學向功能基因組學的轉(zhuǎn)移。,前基因組時代的“釣魚”和后基因組時代的“撈魚”,人類后基因組時代的特點,人類首次了解了自身的基因

4、序列，了解了很多遠親生物的基因序列 人類正在面對指數(shù)擴增的基因序列資料和各種數(shù)據(jù)庫 人類面臨的挑戰(zhàn)是如何將基因序列資料轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫闹R，進而讓這些知識服務于人類，使之能夠造福于人類的健康。,人類功能基因組學研究 以全基因組為背景，開展人類基因及其編碼蛋白的功能研究。 目前雖然完成了絕大部分基因的序列分析，但約60%的人類基因的功能未知。 目前認為人類有3.2萬個基因，其中1.5萬已知功能，1.7萬未知功能。,人類功能基因組學研究涉及眾多的新技術(shù)，包括生物信息學技術(shù)、生物芯片技術(shù)、轉(zhuǎn)基因和基因敲除技術(shù)、酵母雙雜交技術(shù)、基因表達譜系分析、蛋白質(zhì)組學技術(shù)、高通量細胞篩選技術(shù)等。 人類功能基因組學必須

5、多學科協(xié)作 生物信息學是人類功能基因組學研究的必要工具,人類功能基因組,計算機科學家,生物化學家,細胞生物學家,結(jié)構(gòu)生物學家,生理學家,遺傳學家,臨床和病理學家,后基因組時代研究的重要方向,功能基因組學是基因組時代的核心和焦點。其所要解決的問題包括如何識別基因組組成元素及注釋重要元素的功能。 比較基因組學 基因組的各個基因及其產(chǎn)物之間互相關(guān)聯(lián)，互相作用。對同一物種不同個體的基因組進行比較，以及對不同物種的基因組進行比較，不僅可以揭示生命的起源、進化等重大生物學問題，還具有潛在的實用價值。,結(jié)構(gòu)基因組學即借助計算機技術(shù)，模擬出未知基因的蛋白質(zhì)產(chǎn)物的立體結(jié)構(gòu)，從而根據(jù)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系進行預測，還可

6、以深入探求蛋白質(zhì)為何具有特定的生物學功能。 蛋白質(zhì)組學 蛋白質(zhì)隨發(fā)育階段、特定組織甚至所處環(huán)境的變遷而變化，反映了蛋白質(zhì)后加工等作用，蘊藏著巨大的動態(tài)的生命活動信息量?；蛐蛄蟹治鲭y以處理的沒有任何可比較序列的孤兒基因，有望從蛋白質(zhì)組的表達變化規(guī)律中找到其生物學功能的線索，進而揭示出其在整個功能網(wǎng)絡中的地位。,藥物基因組學 這是后基因組提出的一項重要課題。研究的主要內(nèi)容是人的基因多型性或變異性是如何影響藥物效果和安全性的。 代謝組學 研究生命個體對外源性物質(zhì)(藥物或毒物)的刺激、環(huán)境變化或遺傳修飾所做出的所有代謝應答的全貌和動態(tài)變化過程 。研究機體代謝產(chǎn)物譜變化，廣泛地應用于新藥研制從早期發(fā)現(xiàn)

7、到臨床開發(fā)的全過程。,藥物療效和毒副作用的個體間差異一直是困擾臨床治療的一個重大問題 研究表明除了病因、病情、藥物相互作用、年齡、營養(yǎng)狀況、肝腎功能等原因外,藥物轉(zhuǎn)運蛋白、藥物代謝酶、藥物作用靶標等藥物效應基因的多態(tài)性是影響藥物代謝與療效的關(guān)鍵因素。 在此基礎(chǔ)上,提出了藥物基因組學的概念,藥物基因組學的產(chǎn)生,藥物基因組學的產(chǎn)生,20 世紀50 年代, 遺傳藥理學(pharmcogenetics) 被正式提出,主要研究藥物代謝酶的基因多態(tài)性及其對藥物作用的影響等。 80 年代, 發(fā)現(xiàn)基因序列的差異對藥物效應有不同的影響。,遺傳藥理學（Pharmacogenetics）,藥物基因組學（Pharma

8、cogenomics）,基因組序 列數(shù)據(jù)庫,蛋白表達數(shù)據(jù)庫,表達序列數(shù)據(jù)庫,SNP數(shù)據(jù)庫,藥物基因組學的產(chǎn)生,1997年6月,Abbott-Geneset 兩大制藥公司共同發(fā)起了藥物基因組計劃, Abbott-Geneset Alliance 的誕生,標志著藥物基因組學時代的到來。 1998年6月,美國國立普通醫(yī)學科學研究所(NIGMS) 建議啟動藥物基因組學計劃,即從表現(xiàn)型到基因型藥物反應的個體多樣性的研究,重點研究對藥物反應表現(xiàn)型相關(guān)的基因型。,藥物基因組學,基因多態(tài)性,藥物作用多樣性,個體差異,基因水平,個體化用藥,藥物基因組學的概念,藥物基因組學是以提高藥物的療效及安全性為目標,研究影

9、響藥物吸收、轉(zhuǎn)運、代謝、消除等個體差異的基因特性,以及基因變異所致的不同病人對藥物的不同反應,并由此為平臺開發(fā)新藥、指導合理用藥,提高藥物作用有效性、安全性和經(jīng)濟性的科學。,基因多態(tài)性是藥物基因組學的基礎(chǔ)和重要研究內(nèi)容 藥物代謝酶 藥物轉(zhuǎn)運蛋白 藥物作用靶點,藥物基因組學的研究內(nèi)容,藥物代謝酶多態(tài)性由同一基因位點上具有多個等位基因引起,其多態(tài)性決定表型多態(tài)性和藥物代謝酶的活性,并呈顯著的基因劑量-效應關(guān)系,造成不同個體間藥物代謝反應的差異,是產(chǎn)生藥物毒副作用、降低或喪失藥效的主要原因之一。,藥物基因組學的研究內(nèi)容,轉(zhuǎn)運蛋白在藥物的吸收、排泄、分布、轉(zhuǎn)運等方面起重要作用,其變異對藥物吸收和消除具

10、有重要意義 大多數(shù)藥物與其特異性靶蛋白相互作用產(chǎn)生效應,藥物作用靶點的基因多態(tài)性使靶蛋白對特定藥物有不同親和力,導致藥物療效的不同。,藥物基因組學的研究內(nèi)容,內(nèi)外源性物質(zhì)代謝的單加氧酶 人體內(nèi)有35種CYP450基因，分為14個家族 13家族與外源性物質(zhì)代謝有關(guān) 個體CYP450表型的不同會影響到CYP450代謝藥物在體內(nèi)的清除率 許多因素會影響CYPP450的活性 ：基因型、種族、環(huán)境、疾病等,CYP450 酶系,藥物代謝酶的多態(tài)性,2020/12/8,34,影響CYP3A 表達的SNP對 藥物代謝產(chǎn)生 不同作用,CYP450,闡明分子結(jié)構(gòu)與分布,提高用藥安全性、有效性,預測藥物作用強弱,根

11、據(jù)病人基因型 選擇藥物,藥物篩選,調(diào)整用藥劑量,藥物基因組學研究的主要策略包括選擇藥物起效、活化、排泄等過程相關(guān)的候選基因,尋找變異基因序列,確定基因?qū)λ幬镄亩鄳B(tài)性。 方法學上依賴于藥理學、生物化學、遺傳學及基因組學,其中特別需要高效的基因變異檢測方法,即從眾多的個體中獲得某等位基因產(chǎn)物,檢查其變異,并確定變異基因的序列變化。,CYP450 基因多態(tài)性研究方法,基因型 代謝表型（探針藥物）,CYP450 基因多態(tài)性研究方法,基因型的測定,基因芯片法 等位基因特異性PCR擴增法 PCR-RFLP法 DNA測序法,CYP2D6*10W/2M,雜交區(qū)域,基因芯片法,等位基因特異性PCR擴增法,合

12、成特異性引物,PCR,凝膠電泳,PCR-RFLP法,DNA測序法,CYP1A2的基因多態(tài)性,CYP2C9的基因多態(tài)性,CYP2D6的基因多態(tài)性,CYP2C19的基因多態(tài)性,70多種突變基因 種族差異 CYP2D6*4、CYP2D6*5、CYP2D6*6和CYP2D6*3 西方人弱代謝 CYP2D6*17非洲人弱代謝 CYP2D6*2、CYP2D6*10 亞洲人 近百種底物：抗心律失常藥、受體阻滯劑、 抗高血壓藥、抗抑郁藥以及抗精神病藥,CYP2D6 基因多態(tài)性,CYP2D6基因分型芯片掃描圖像,CYP2D6*10W/*2W,CYP2D6*10W/*2M,CYP2D6*10W/*2H,CYP2D

13、6*10H/*2H,CYP2D6*10H/*2M,CYP2D6*10M/*2H,CYP2D6*10M/*2M,DNA測序結(jié)果,CYP2D6*2H,CYP2D6*10M,代謝表型測定,探針藥物法 單一探針藥物法 組合探針法（cocktail探針藥物法）,單一探針藥物法,選用只被一種特定的酶亞型催化或者即使被幾種亞型催化但已確知其代謝途徑及其產(chǎn)物的物質(zhì)，通過測定其體內(nèi)的代謝速率，如在尿中、血中或者唾液中的原型物與代謝產(chǎn)物濃度的比值來作為評價該酶的活性的指標。,CYP3A4的底物,續(xù),CYP2C19的底物,CYP1A2,CYP2D6的底物,PM,EM,Hours,Plasma Metoprolol

14、Concentration (mg/L),CYP1A2,常用的探針藥物,CYP3A4：咪達唑侖、氨苯砜、奎寧 CYP1A2：咖啡因 CYP2D6：美托洛爾、右美沙芬、異喹胍 CYP2C9：甲苯磺丁脲、雙氯酚酸 CYP2C19：奧美拉唑、美芬妥英 CYP2E1：氯唑沙宗,2020/12/8,61,美托洛爾,美托洛爾是選擇性1受體阻斷藥. 主要經(jīng)兩條途徑代謝：O去甲基代謝和羥化代謝。其中羥化代謝生成羥基美托洛爾，幾乎由CYP2D6單一途徑代謝而成。 個體差異大。 中國人臨床用藥劑量為12.5mg 50mg。 西方人臨床用藥劑量 100mg 200mg。,？,根據(jù)第一部分基因芯片分型結(jié)果，將中國健康

15、志愿者分為四組： 第1組：CYP2D6*1/*1 第2組：CYP2D6*2/*2 第3組：CYP2D6*2/*10 第4組：CYP2D6*10/*10 每組篩選10人，共40人。年齡在1845歲之間，身高和體重均在標準范圍內(nèi),CYP2D6代謝表型研究,四組健康志愿者單次口服100mg酒石酸美托洛爾的血藥濃度均值-時間曲線,健康志愿者單次單服100mg酒石酸美托洛爾后羥基美托洛爾的血藥濃度均值-時間曲線,*,*,*#,*#,不同CYP2D6基因型健康志愿者單服100mg美托洛爾的清除率,Cocktail探針藥物法,Cocktail探針藥物法是指同時給予多種相對低劑量的探針藥物，測定生物樣本中每個

16、探藥的代謝率或其他代謝分型指標，以獲取多個代謝酶的表型信息，對于那些有多重代謝途徑的劑量設計有極為重要意義。 優(yōu)點： 減少分析周期、提高分析效率 減少個體內(nèi)的差異 考慮到了環(huán)境等因素對代謝酶活性的影響,Cocktail探針藥物法,“Cocktail”法評價肝缺血再灌與缺血預適應對大鼠細胞色素P450酶活性的影響 Liu Y, Lou JS, et al. Biol Pharm Bull. 2009 Apr;32(4):717-20. 專利：No.200810110435.6 No.200810110436.0,five probes cocktail,Cocktail探針藥物法同時測定六種主要

17、CYP450同工酶的活性,建立新藥細胞色素P450代謝途徑篩選模型,藥物基因組學的研究狀況,基因多態(tài)性與藥效 基因多態(tài)性與藥物毒性 表達水平多態(tài)性 基因多態(tài)性與群體 基因多態(tài)性與疾病易感性,不同CYP2C19基因型潰瘍病患者經(jīng)奧美拉唑治療后的潰瘍愈合率（Furuta T, et al, 1999）,73,CYPlA2活性增強可能是結(jié)腸癌、膀胱癌和肺癌的危險因素。,2020/12/8,CYP1A2參與煙中多環(huán)芳烴化合物的代謝，使其活化為致癌物。 Nakachi等對日本人的研究發(fā)現(xiàn)，具有C基因型的個體患肺癌的危險性是其它基因型個體的7.3倍。,基因多態(tài)性與疾病易感性,藥物基因組學的應用前景,合理用

18、藥，個體化治療 合理用藥的核心是個體化給藥。基因多態(tài)性決定了病人對藥物的不同反應,依據(jù)病人的基因組特征優(yōu)化藥物治療方案,實現(xiàn)藥物的個體化治療,可同時減少藥物治療的費用和風險,降低病人的治療成本。,疾病診斷,藥物1,藥物2,藥物3,疾病診斷,藥物1,藥物2,藥物3,藥物敏感性測定,目前的疾病治療,將來的疾病治療,為藥物開發(fā)開辟一個全新領(lǐng)域 藥物基因組學以人類基因組中所有基因信息指導新藥開發(fā),在整體基因組水平研究遺傳因素對藥物治療效果的影響,適用于藥物設計、臨床試驗、批準上市、使用等藥物開發(fā)的整個周期,將使藥物開發(fā)進入以基因為基礎(chǔ)的藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)的新的歷史階段。,藥物基因組學的應用前景,改變傳統(tǒng)的

19、“一個藥物適于所有人”的藥物開發(fā)模式和觀點,根據(jù)基因的特性為某個群體、甚至個體設計藥物,推動藥物開發(fā)的全過程,使藥物開發(fā)周期縮短,費用降低。 21世紀的藥物是為每一個人設計的，因為隨著基因芯片技術(shù)的普及和基因科學研究的深入，人們將會發(fā)現(xiàn)每個人對藥物敏感的基因、耐藥基因以及各種抗病基因表達各不相同，為達到最佳療效，藥學家的任務之一是開發(fā)具有個體特異性的藥物。,對藥物經(jīng)濟學的意義 藥物基因組學使病人在用藥前進行基因變異分析，可減少出現(xiàn)無效處方的可能性，減少病人就診次數(shù)，使藥物不良反應和抗藥的危險降到最低程度，達到節(jié)約醫(yī)療費用的目的。,藥物基因組學的應用前景,著名基因科學家克雷格文特爾,個人DNA圖譜,2007年9月，利用基因排序技術(shù)，科研人員成功繪制了著名基因科學家克雷格文特爾個人完整的DNA藍圖。 文特爾的基因編碼，與2001年“人類基因組計劃”發(fā)表的兩份人類基因組圖譜作了比較，結(jié)果表明，人類遺傳變異的數(shù)量比預想豐富的多。,個人DNA圖譜,研究人員利用從文特爾DNA中提取的1900萬條基因序列和另外的1300萬條序列，使用最新的方法詳細檢測了不同版本的、相同染色體的基因序列。最終發(fā)現(xiàn)了400萬種變異，這表明DNA變異可能比之前認為的多出7倍。 研究顛覆了遺傳學的觀點：所有人的同一性可達到99.9。新基因組中發(fā)現(xiàn)