藥物基因組學(xué)的概念

第六節(jié)藥物基因組學(xué)的原理與應(yīng)用一.藥物基因組學(xué)的介紹1.藥物基因組學(xué)的誕生和發(fā)展（1）誕生早在20世紀(jì)50年代，人們就發(fā)現(xiàn)不同的遺傳背景會導(dǎo)致藥物反應(yīng)的個體差異，例如，紅細(xì)胞中編碼葡萄糖-6-磷酸脫氫酶的基因發(fā)生變異，可使葡萄糖-6-磷酸脫氫酶活性降低引起抗瘧藥的溶血作用等。70年代末，杰弗里提出基因組中每100個堿基中就會有1個出現(xiàn)變異。80年代后期，這些差異被引進(jìn)藥物遺傳學(xué)，并首次闡明了細(xì)胞色素P450酶系中的CYP2D6的基因多態(tài)性可以導(dǎo)致病人對藥物的代謝出呈現(xiàn)快代謝和慢代謝兩種不同的方式。到20世紀(jì)末，由于分子生物學(xué)的發(fā)展、分子遺傳學(xué)的發(fā)展和人類基因組計劃的順利實施，人類基因的多態(tài)性不斷被發(fā)現(xiàn)和證實，人們認(rèn)識到人體的許多基因都參與藥物在體內(nèi)的過程，藥物在體內(nèi)的反應(yīng)和代謝也涉及到多個基因的相互作用。基因多態(tài)性導(dǎo)致了藥物反應(yīng)的多樣性，并在藥物遺傳學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來了藥物基因組學(xué)，人類開始從基因組水平研究藥物反應(yīng)的個體差異。2021/10/101（2）.藥物基因組學(xué)的發(fā)展

目前，藥物基因組學(xué)的發(fā)展就是將近幾年在研究人類基因組與功能基因組中發(fā)展的新技術(shù)（如高通量掃描、生物芯片、高密度單核苷酸多態(tài)性(SNP)、遺傳圖譜、生物信息學(xué)等）新知識，融入到分子醫(yī)學(xué)、藥理學(xué)、毒理學(xué)等諸多領(lǐng)域，并運(yùn)用這些技術(shù)與知識從整個基因組層面系統(tǒng)地去研究不同個體的基因差異與藥物療效的關(guān)系，了解具有重要功能意義的和影響藥物吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝、排泄的多態(tài)性基因，從而明確藥理學(xué)作用的分子機(jī)制以及各種疾病致病的遺傳學(xué)機(jī)理，最終達(dá)到指導(dǎo)臨床合理用藥、引導(dǎo)市場開發(fā)好藥的目的。2021/10/1022．藥物基因組學(xué)的概念、研究內(nèi)容以及研究任務(wù)（1）概念藥物基因組學(xué)（Pharmacogenomics）是一門研究遺傳因素與藥物反應(yīng)相互關(guān)系的學(xué)科，以提高藥物療效、安全性以及指導(dǎo)臨床合理用藥為目標(biāo)，來研究影響藥物吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝、消除等個體差異的基因特性，以及基因變異所導(dǎo)致的不同患者對相同藥物反應(yīng)的差異，并在此基礎(chǔ)上研制、尋找新的藥物或新的用藥方法的科學(xué)。基因多態(tài)性是指群體中正常個體的基因在相同位置上存在差別(如單堿基對差別，或單基因、多基因以及重復(fù)序列數(shù)目的差別)，這種差別出現(xiàn)的頻率大于1%。研究表明基因的多態(tài)性是造成藥物反應(yīng)個體差異的主要原因。2021/10/103（2）研究內(nèi)容

藥物基因組學(xué)是在整個基因組水平上研究遺傳因素對藥物治療效果的影響，它主要基于對基因多態(tài)性(包括藥物代謝酶、藥物轉(zhuǎn)運(yùn)體、藥物作用靶點(diǎn)的基因多態(tài)性)和對已有蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能的研究，來針對性地合成藥物，抑制與疾病有關(guān)的蛋白質(zhì)。藥物基因組學(xué)研究決定藥物吸收的基因發(fā)生突變后對藥物療效和安全性的影響，研究等位基因多態(tài)性與藥物反應(yīng)多態(tài)性之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而改變傳統(tǒng)的“一個藥物適合所有人”的觀點(diǎn)，根據(jù)基因的特性為某個群體甚至個體選擇藥物的種類和劑量，實現(xiàn)真正意義上的“個體化用藥”，提高藥物的特異性、有效性，降低和避免不良反應(yīng)，節(jié)約醫(yī)療保險費(fèi)用，降低研發(fā)成本等。2021/10/104（3）任務(wù)藥物基因組學(xué)的主要研究任務(wù)有以下四個方面：一是根據(jù)基因組結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)藥物的作用靶點(diǎn)，確定新的藥物的作用靶點(diǎn)，并結(jié)合計算機(jī)輔助設(shè)計、組合化學(xué)及其他手段進(jìn)行新藥高通量篩選；二是根據(jù)某些基因多態(tài)性和表達(dá)譜的特異性改變其對藥物的敏感性，為個體化治療提供依據(jù)；三是根據(jù)與疾病相關(guān)的蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，尋找藥物的新作用靶點(diǎn)；四是進(jìn)行藥理作用機(jī)制的研究。2021/10/1053.藥物基因組學(xué)的研究步驟和方法物基因組學(xué)的研究步驟一般是：首先明確藥物作用機(jī)制，確定與藥物反應(yīng)相關(guān)的基因產(chǎn)物(如受體或酶等)，而后確定候選基因，并找出其多態(tài)性(如單核苷酸多態(tài)性)并確定其功能和頻率，最后通過臨床試驗，考察候選基因的變異與藥物反應(yīng)間的聯(lián)系。藥物基因組學(xué)主要應(yīng)用基因組技術(shù)（如基因測序、統(tǒng)計遺傳學(xué)、基因表達(dá)分析等）來研究和開發(fā)藥物；應(yīng)用高效的基因檢測手段如聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)、凝膠電泳、熒光染色高通量基因檢測、等位基因特異性擴(kuò)增等技術(shù)，來檢測一些與藥物作用靶點(diǎn)或能影響藥物作用、分布、排泄相關(guān)的基因變異。DNA陣列技術(shù)、高通量篩選系統(tǒng)及生物信息學(xué)等的發(fā)展，為藥物基因組學(xué)研究提供了多種手段和思路。2021/10/106藥物基因組學(xué)研究的主要方法和技術(shù)（1）單核苷酸多態(tài)性(singlenucleotidepolymorphisms，SNPs)

單核苷酸多態(tài)性是指同一位點(diǎn)的不同等位基因之間存在個別單核苷酸的差異。SNP主要從2個方面可導(dǎo)致人類個體的多樣性：一是編碼區(qū)SNP(cSNP)改變，使得基因表達(dá)產(chǎn)物中某些氨基酸發(fā)生變化，從而影響蛋白質(zhì)的功能；二是調(diào)節(jié)區(qū)SNP(rSNP)改變，使得基因的表達(dá)和調(diào)控發(fā)生變化，基因表達(dá)的量發(fā)生變化。SNPs的檢測分析大多基于PCR技術(shù)，主要有兩種研究平臺：一是以熒光探針為檢測標(biāo)記，二是運(yùn)用質(zhì)譜儀確定特異寡核苷酸微小的質(zhì)量變化來驗證SNPs。SNPs具有高密度、信息量大、適于自動化操作的特點(diǎn)。（2）表型和基因型分析基因型是指一個生物個體的全部遺傳的組成，是不可見的，只能通過遺傳學(xué)分析來了解它。個體與個體之間的表型上存在的差異，實際上反映了個體間基因型的差異。通過測定藥物代謝情況或臨床結(jié)果可獲得藥物的代謝表型?；蛐头治錾婕癙CR、多重PCR、寡核苷酸連接分析、等位基因特異性擴(kuò)增、質(zhì)譜分析、高密度芯片分析等一系列技術(shù)。2021/10/107藥物基因組學(xué)研究的主要方法和技術(shù)（3）連鎖分析和關(guān)聯(lián)分析

連鎖分析是用微衛(wèi)星DNA對家系進(jìn)行標(biāo)記定型，根據(jù)家系遺傳信息中基因間的重組率計算出兩基因間的染色體圖距，根據(jù)疾病的合適遺傳模式進(jìn)行參數(shù)和非參數(shù)分析。

關(guān)聯(lián)分析是在不相關(guān)人群中尋找與疾病或藥物反應(yīng)相關(guān)的染色體區(qū)域。在常見的復(fù)雜性疾病中，由于每個效應(yīng)基因的貢獻(xiàn)較小，因此該法比連鎖分析更有應(yīng)用價值。（4）藥物效應(yīng)圖譜

是利用患者微量DNA來預(yù)測他們對某種藥物的反應(yīng)。目前該方法主要用于研究藥物引起的罕見不良反應(yīng)，并幫助醫(yī)生確定患者是否對該不良反應(yīng)具有易感性。（5）芯片技術(shù)

芯片主要是指DNA芯片和蛋白質(zhì)芯片。在藥物基因組研究中應(yīng)用較廣泛的是DNA芯片，能高通量檢測基因的表達(dá)，確定患者基因組中出現(xiàn)的多態(tài)性。2021/10/108二.藥物基因組學(xué)的應(yīng)用1．指導(dǎo)臨床用藥，實現(xiàn)個體化治療現(xiàn)代分子生物學(xué)、分子醫(yī)學(xué)以及藥物基因組等學(xué)科的發(fā)展，使醫(yī)學(xué)研究越來越趨向于個體化。通過對用藥個體基因組多態(tài)性及其對藥物反應(yīng)相關(guān)性的分析，可制定基于個體遺傳學(xué)特征之上的“個體化治療”(Individualizedtherapies)。目前，應(yīng)用的方法是根據(jù)藥物代謝動力學(xué)的原理，通過測定服藥者體內(nèi)的藥物濃度，計算出藥動學(xué)參數(shù)，設(shè)計個體化給藥方案。這一方法對于血藥濃度-藥效一致的藥物是可行的，但對于血藥濃度-藥效不一致的藥物，如何達(dá)到個體化給藥，目前尚無可靠的方法。藥物基因組學(xué)是以與藥物效應(yīng)有關(guān)的基因為靶點(diǎn)，以基因多態(tài)性和藥物效應(yīng)多樣性為平臺，研究遺傳基因及基因變異對藥動學(xué)、藥效學(xué)的影響，這就彌補(bǔ)了只根據(jù)血藥濃度進(jìn)行個體化給藥的不足。如今應(yīng)用藥物基因組學(xué)的研究結(jié)果指導(dǎo)臨床安全用藥已經(jīng)取得了比較理想的結(jié)果。2021/10/109續(xù)上頁

目前，與藥物反應(yīng)相關(guān)的基因多態(tài)性研究主要集中在藥物代謝酶，其中對細(xì)胞色素P450家族和硫嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶的研究最深入。CYP2D6是第一個被發(fā)現(xiàn)存在藥物氧化代謝遺傳多態(tài)性的CYP450酶，攜帶有CYP2D6無效等位基因突變純合子的人，對心血管藥物（如司巴丁、異喹胍）、抗精神病藥物（三氟哌多、丙咪嗪）等高度敏感，藥物的毒副作用可能會增強(qiáng)。硫嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶是治療白血病藥物6-巰基嘌呤的藥物代謝酶，其活性存在遺傳多態(tài)性，缺乏硫嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶的患者使用標(biāo)準(zhǔn)劑量的6-巰基嘌呤，會出現(xiàn)嚴(yán)重甚至致命的血液系統(tǒng)毒性[10,11]。遺傳多態(tài)性除可表現(xiàn)為藥物代謝酶的多態(tài)性外，藥物轉(zhuǎn)運(yùn)體(影響藥物的吸收、分布和排泄)的多態(tài)性以及藥物作用受體或靶點(diǎn)(如β-腎上腺素能受體)的多態(tài)性也會影響機(jī)體對藥物的反應(yīng)。這些多態(tài)性導(dǎo)致了許多藥物療效和不良反應(yīng)的個體間差異2021/10/10102．促進(jìn)新藥的研究與開發(fā)

新藥的發(fā)現(xiàn)(drugdiscovery)和開發(fā)(drugdeveopment)通常是高投入、高風(fēng)險、長周期，一個新的化學(xué)藥物從發(fā)現(xiàn)到進(jìn)入市場需花費(fèi)10-12年的時間和5-7億美元。但是利用藥物基因組學(xué)可大大加快新藥的發(fā)現(xiàn)。髓樣造血細(xì)胞抑制因子-1(MPIF-1)是世界上第一個基因組藥物。應(yīng)用藥物基因組學(xué)開發(fā)新藥具有快速、高效的優(yōu)點(diǎn)，它根據(jù)不同的藥物效應(yīng)對基因分型，發(fā)現(xiàn)并克隆得到新的基因，并借助疾病模型，研究基因和疾病的關(guān)系，確定有效靶點(diǎn)，優(yōu)化藥物設(shè)計。人類基因組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)的大量新的基因（約5000-10000個），可做為大量新的藥物的作用靶點(diǎn)。在人基因組約3萬個蛋白質(zhì)編碼基因中，現(xiàn)有的藥物僅作用于其中約500個基因。目前已有大量資金投入到制藥和生物技術(shù)工業(yè)中，以使用基因組知識發(fā)現(xiàn)新的治療靶點(diǎn)。藥物作用靶點(diǎn)的多型性表明，在以開發(fā)新藥為目的的基因組篩選中，可以考慮DNA序列突變，這為開發(fā)以疾病為靶點(diǎn)的新藥提供了思路。2021/10/1011續(xù)上頁

此外，藥物基因組學(xué)可根據(jù)基因型選擇有效的治療群體，從Ⅰ期臨床試驗開始，試驗對象就被劃分為不同的基因型，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果，在進(jìn)入Ⅱ、Ⅲ期臨床試驗時，就確切地知道，這些藥物適合哪些病人，或選擇哪些病人作為試驗對象，避免不良反應(yīng)的發(fā)生。重新評價原來一些證明“無效”或因不良反應(yīng)大而未獲批準(zhǔn)的藥物。利用藥物基因組學(xué)重新評價這些證明“無效”或因不良反應(yīng)大而未獲批準(zhǔn)的藥物，利用基因芯片技術(shù)將該藥物應(yīng)用于既安全又有效的那部分患者，而對不適合的患者避免使用，則該藥物可獲得批準(zhǔn)上市，從而避免巨大資金浪費(fèi)。如抗精神分裂癥藥物氯氮平，該藥是作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的抗精神病藥物；在粒細(xì)胞缺乏癥的藥物效應(yīng)基因被確定后，極大地改善了其使用，除極少數(shù)敏感的病人不能服用外，對于99%的病人來說都是一線治療藥物。2021/10/10121.Defination1.藥物基因組學(xué)（pharmacogenomics）是研究基因序列的多態(tài)性與藥物效應(yīng)多樣性之間關(guān)系，即基因本身及其突變體與藥物效應(yīng)相互關(guān)系的一門科學(xué)。2.Applicationofgenomescience(genomics)tothestudyofhumanvariabilityindrugresponse.3.Studyofgenesresponsibleforthevariabilityinindividualresponsestodrugs2021/10/1013LooseDefinitionsPharmacogeneticsIndividualvariationindrugmetabolismanddistributionSinglegenePharmacogenomicsPharmacogenetics+variationamongindividualsindrugtargetsanddiseasemechanismMultiplegenes2021/10/10142.ThedifferenceandrelationofpharmacogeneticsandpharmacogenomicsPharmacogenetics:Geneticbasisofdrugresponsefromtheperspectiveofinheritedtraitsandethnicdifferencesi)Differencesindrugmetabolismandtransport(PK)ii)Differencesinadrugreceptor(PD)Examplesi)5%ofcaucasianpopulationhasaltered2D6isozymeofcytochromeP450,itsabsencedissallowsconversionoftheprodrugofcodienetoitsactiveform.ii)50%ofasianshavealcoholintoleranceduetosinglepointmutationinaldehydedehydrogenaseleadingtoelevatedacetaldehydeconcentrationsandtheassociatedadversereaction(headache,facialflush).Currentpharmacypractice:Usefamilyhistory,racialandethnicbackgroundtoidentifypossibleadversedrugresponseFuturepharmacypractice:

Linkageofgenetictests(geneticmarkers)toprescribingi)Addresssafetyconcernsii)Addressbenefitconcernsiii)Currentlimitationswithrespecttowidespreadusea)requirehigh-throughputscreeningapproaches(DNAchips)b)roboticmethodsforsamplepreparationc)cost-effectiveness2021/10/1015PharmacogenomicsNon-inheritedgenetictraitsthatalterdrugresponseorleadstoadiseasestate(i.e.pointmutationsorcollectionofmutations):Identifytraitusingmolecularmeans(PCRanalysis,DNAchips).SNPs:single-nucleotidepolymorphisms:Variationatasinglebasethatisfoundinatleast1%ofthepopulation.i)SNPConsortium:CollaborationofpharmaceuticalandtechnologycompaniesandacademicresearchersfocusedonidentifyingSNPs.1.8millionidentifiedtodate.ii)Estimatesof10millionSNPsinthehumangenomeincludingnon-codingregions.SNPsinnon-codingregionsmayeffectexpressionlevelsetc.iii)ImportanttovalidateaSNPinasignificantlylarge,ethnicallydiversepopulationtodeterminetheallele(alternativeformsofagene)populationfrequency.iv)FocusonSNPsinregionsthatcodeforproteins,includingproteinsthatinfluenceADME(absorption,distribution,metabolismandexcretion).2021/10/10163.ThestudyareasofPharmacogenomics3.1.DrugMetabolismandtransportMultiplecompaniesworkingonmicroarrayanalysisofcytochromep450sanddrugtransporterstobeabletopredictdrugmetabolisminpatients.Ingeneral,pharmacogenomicsandpharmacogeneticswillinitiallyhavetheirlargestimpactondrugmetabolismratherthanondrugtargets.2021/10/10173.2.Drugtargetsi)Inferfunctionbasedonhomologywithknowngenes(takeadvantageofhumangenomeinformation).ii)Transgenicorknockoutmiceorcells(insertorremoveanunknowngeneandmonitororganismforchangesinfunction).iii)interferenceRNAorantisenseagentstosuppressexpressionofaproteinassociatewithaparticulargeneiv)Mutateunknowngeneandmonitororganismforchangesinfunctionv)LookatpopulationofSNPsasafunctionofage:SNPsthatcausedebilitating/fataldiseaseswillbeobservedinasmallerpercentageofthepopulationasthepopulationages.Thisisduetotheindividualswiththosegeneshavingahigherprobabilityofdyingatanearlyage.Non-clinicalapproachestoassignfunctionofinterestinggenesidentifiedbasedonSNPsorDNAchipbasedgenomicanalysis.2021/10/1018PolygenicandDrugResponse2021/10/10193.PharmacogenomicsofP-gpPositionanddistributionofvariatedMDR1gene(1)2021/10/1020PositionanddistributionofvariatedMDR1gene(2)2021/10/1021PharmacogenomicsofP-gp2021/10/1022TherelationshipofgenotypeandphenotypeHoffmeyer,S.etal.(2000)Proc.Natl.Acad.Sci.USA97,3473-3478Fig.3.

Correlationoftheexon26

SNPwithMDR-1expression.TheMDR-phenotype(expressionandactivity)of21

volunteersandpatientswasdeterminedbyWesternblotanalyses.BoxplotshowsthedistributionofMDR-1expressionclusteredaccordingtotheMDR-1genotypeattherelevantexon26

SNP2021/10/1023PlasmalevelsofdigoxinafterrifampininductionofP-gpHoffmeyer,S.etal.(2000)Proc.Natl.Acad.Sci.USA97,3473-3478Fig.4.

MDR-1expressionandPGPinvivoactivityafterrifampininduction.MDR-1genotypeinexon26

anddistributionofrifampin-inducedP-GPproteinexpression(A)intheduodenum.(B)Distributionofplasmalevelsofdigoxinafterrifampininduction.Theplasmalevelsofdigoxinareaunderthecurve,μg×h×L-1(AUC)areinverselyproportionaltoP-GPactivityintheduodenum.2021/10/1024Tironaetal.,JBC2001;Nozawaetal.,JPET2002;Nishizatoetal.,2003;Niemietal.,Pharmacogenetics2004;Morimotoetal.,DrugMetabPharmacokinet2004IntracellularExtracellularF73LV82AN130DR152KP155TE156GV174AD241NN432DD462GG488AD655GE667GI353TN151SP336RC485FL643FL543W4.GeneticVariantsofOATP1B12021/10/1025TimeBloodConcentration“Normal”ActivityEnhancedActivityDecreasedActivityHepatocyteMRP2OATP1B1BileBloodhydrophillic“statin”HMG-CoAreductaseinhibitornotmetabolizedClearanceisuptakerate-limitedPravastatinasaProbeDrugtoStudytheImpactofOATP1B1GeneticVariationinVivo2021/10/1026SLCO1B1andABCB1genotypes2021/10/1027Nishizatoetal.,ClinPharmacolTher2003Non-renalclearance:*1b/*1b(n=4) 2.01±0.