什么是药物基因组学
近年来,随着分子生物学、分子遗传学与分子药理学,特别是基因组学的发
展,人们逐渐认识到,不同个体对同一药物的不同反应,大多源于基因的差异。 由此,在药物遗传学的基础上,发展形成了药物基因组学这一新学科,在分子和 基因水平上研究揭示个体对药物不同反应的机理,为科学合理用药开拓了新的思 路和途径。
1、什么是药物基因组学
药物基因组学是以药物效应和安全为主要目标,研究药物体内过程差异的基 因特性,以及基因变异所致的不同患者对药物的不同反应,从而研究开发新的药 物和合理用药方法的一门新学科。这个学科以与药物效应有关的基因为靶点,以 基因多态性与药效多样性为平台,研究遗传基因及基因变异对药物效应的影响。 它是基于功能基因组学与分子药理学,从基因水平研究人类个体对药物效应不同 的分子机理的学科。
药物基因组学的创立,为研究高效、特效药物开辟了新的途径,为患者和特
定人群寻找合适的药物及适宜的用药方法展现了新的前景。
2、药物基因组学的诞生
药物基因组学是在药物遗传学基础上发展起来的新学科。早在20世纪50年代, 人们就发现,不同的遗传背景会导致药物反应的差异,特别是药物代谢酶基因的 差异可引起药物的不良反应。例如,由胆碱酯酶基因引起的胆碱酯酶缺乏,可使 琥珀胆碱的肌松作用时间延长;抗疟药物治疗时的溶血现象与红细胞中编码葡萄 糖-6-磷酸脱氢酶的基因有关,葡萄糖-6-磷酸脱氢酶活性降低时可引起抗疟 药的溶血作用;外周神经病变的病人,对异烟肼的反应差异与编码药物乙酰代酶 的基因有关。这些发现表明,由于编码药物代谢酶基因的多态性,可导致它所编 码的酶具有不同活力,从而引起相关药物的不同反应。20世纪70年代开始分子遗 传变异的研究,杰弗里提出基因中每100个碱基中就有1个呈现变异;到20世纪80 年代后期,科学家们把这些差异引进药物遗传学。
第一个被阐明具有基因多态性的酶是细胞色素P450酶系中CYP2D6。编码此酶 的基因具有多态性,导致病人对药物呈现快代谢和慢代谢两种不同的代谢方式, 慢代谢型病人的CYP2D6酶不能很快地分解药物,使病人血液中的活性药物浓度升 高,易导致体温过低、惊厥或肾衰。
20世纪末,随着分子生物学、分子遗传学的发展和人类基因组计划的顺利实 施,人类基因的多态性不断被发现和证实,人们认识到人体的许多基因参与药物 的体内过程,某一药物在体内的反应和代谢涉及到多个基因的相互作用。所以, 基因的多态性导致药物反应的多样性,从而为从基因组水平研究药物反应的个体 差异奠定了基础,药物基因组学随之从药物遗传学基础上脱颖而出。
3、基因多态性与药效
基因的多态性,最常见的形式是单核苷酸多态性(SNP )。SNP 是指同一位点 的不同等位基因之间个别核苷酸的差异或只有小的插入、缺失等。
SNP 主要从两个方面导致人类个体的多样性,一是编码区SNP (cSNP ),cSNP 可以改变基因的编码,使得基因表达的蛋白质中某些氨基酸发生变化而影响其功 能;二是调节区SNP (rSNP ),它往往影响基因的表达和调控,使得基因的表达 量产生变化。
阐明SNP 与药物反应之间的关系已成为目前后基因组学的一个重要研究方向。 快速、准确的基因多态性检测对药物的开发研究、药物的毒理实验、改善药物的 临床实验、监测药物的有效性和安全性都具有重要的作用。目前,全球范围内广
泛开展的SNP 检测,特别是一些疾病相关基因的检测,为药物基因组学的发展奠 定坚实的基础,展现了迅速发展的前景。
在药物的体内过程中所涉及的一系列药物代谢酶、转运蛋白、受体和其他药 物作用靶的基因多态性,都是引起药物疗效和毒性个体差异的基因。
药物相关基因多态性与相应的药物反应主要有:CYP2C9基因的多态性可增加 华法林的出血危险,还可使奥美拉唑代谢加速,疗效降低;二氢嘧啶脱氢酶基因 的多态性可使氟尿嘧啶的毒性明显增加;胸腺嘧啶甲基转移酶基因的多态性可使 巯嘌呤形成骨髓毒性和肝脏损伤;β2肾上腺素能受体基因多态性可影响沙丁胺 醇的疗效;胆固醇脂转移酶基因多态性影响其治疗冠脉硬化的疗效;多巴胺D3受 体基因多态性使苯二氮(艹卓) 类药物易致迟发性运动障碍;钾通道基因的多态性 使克拉霉素易透导迟发生长QT 综合性等等。
4、药物代谢酶基因多态性
药物代谢体内过程的第1相需有药物代谢酶的催化,其中最主要的代谢酶是
细胞色素P450酶系。目前已发现至少有53个CYP 基因和24个假基因,其中有显著 意义的遗传多态性的酶有CYP3A4、CYP2D6、CYP2C19、CYP1A2、CYP2E 。催化第2 相反应的酶主要是硫嘌呤甲基转移酶(TPMT )、N -乙酰基转移酶(NA T )、谷胱 甘肽S -转移酶(GST )等。这些酶的基因差异影响到酶的作用时,就会影响药物 的疗效和不良反应。例如,抗高血压药异喹胍,由于基因变异会导致慢代谢,在 英国一项临床试验中,使用异喹胍治疗高血压时引起一个患者死亡,其后发现这 个患者对这种药物几乎不能代谢;抗结核药异烟肼,对慢代谢型病人血药浓度维 持时间长,易蓄积而发生外周神经炎;β-受体阻滞药普萘洛尔,不同个体的血 药浓度最多可相差20倍。
CYP3A4是代谢药物最多的一种代谢酶,它代谢目前市场上55%的常用药物, 如乙酰氨基酚、卡马西平、洛伐他汀、硝苯地平、长春碱等。现已发现CYP3A4的 变异体近20种,不过能导致个体对药物反应改变的不多。1998年发现了CYP3A4- V 变异体,带有这种变异体的人,用化疗药物治疗时白血病发病率比未带此变异 体者低。
CYP2D6是代谢药物种数仅次于CYP3A4的代谢酶,可代谢异喹胍、丙咪嗪、氯 氮平、可待因、苯乙双胍、普罗帕酮、β-受体阻滞药等常用药物,现已发现CYP
2D6的变异体已超过70种。其中15种SNP 可导致无功能的产物,8种引起移码突变, 2种引起剪接缺陷,5种错义突变造成翻译提早终止或活性位点改变;但也有相反 的,可引起酶活力增加。
CYP2C19代谢多种临床常用药物,如奥美拉唑、安定、环己巴比妥、普萘洛尔 等。目前至少已确定6种有缺陷的等位基因。如果个体带有CYP2C19的多态性基因, 在代谢奥美拉唑时,失活的酶会导致血药浓度过高,增加药物反应。CYP2C19基 因缺陷的人,对甲妥英、环己烯巴比妥等药物高度敏感。研究发现,此基因第5外 显子上单个碱基的突变(A→G)就可导致功能的丧失。此外,该酶系还有CYP1A1、 CYP2A1、CYP2C9、CYP2E1等。硫嘌呤甲基转移酶(TPMT )在巯基嘌呤、硫唑嘌呤 等药物的代谢中起着重要作用,如治疗白血病的6-硫基嘌呤,在体内主要是由
TPMT 代谢的。TPMT 基因中至少有4种等位基因的变异体,从而导致药物代谢的多 样性,并影响药物的生物活性和细胞毒性。群体研究表明,人群中89%的人为高
TPMT 活力,11%的人为中等活力,0.33%的人TPMT 活力极低或缺失。高TPMT 活力 的人代谢很快,常需调高剂量;活力极低或缺失者,代谢非常低,即使很小剂量 也会中毒。
N -乙酰基转移酶(NA Ts )有NA T1和NAT2。NA T1的底物有对氨基苯甲酸和对 氨基水杨酸等,其多态性形态至少有17种;NA T2的底物有异烟肼、普鲁卡因胺、 肼屈嗪、磺胺类等,其多态性可导致两种代谢方式,即快乙酰化型和慢乙酰化型。 在用氨萘非特治疗癌症时,快乙酰化型病人的骨髓毒性比慢乙酰化型者高得多。
5、药物受体基因多态性
药物受体基因的多态性与药物的作用密切相关。最重要的药物受体是G 蛋白 偶联受体,它的种类很多。
β2-肾上腺素受体是其中研究较多的一类。它有3种多态性(Arg16Gly 、Gln 27Glu 、Thr164Ile )可改变受体功能。具有16Gly 多态性的哮喘患者,比具有16Arg 的患者对支气管扩张药沙丁胺醇介导的受体下调脱敏感增加。与纯合的16Gly 相 比,纯合的16Arg 和杂合的16Arg 对沙丁胺醇的反应分别高5倍和两倍。
5-羟色胺(5-HT )是一种神经递质,参与许多正常生理活动,5-羟色胺 载体基因启动子的多态性可引起该载体基因表达异常,从而影响到某些与5-HT 有关疾病治疗的反应。5-HT1B
受体124位的变化,就可引起一条氨基酸链对偏头痛治疗药物舒巴坦的亲和 力增加两倍,而亲和力的增加就会导致药物的不良反应,使小部分病人可能出现 冠状动脉痉挛。
维生素D 受体(VDR )为细胞内受体,是一种配体依赖的核转录因子。VDR 基 因多态性与骨质疏松症、关节炎及前列腺癌等疾病的发生有关。VDR 基因按其有
无限制性内切酶BsmI 位点,其基因型可分为B 型(BsmI -)和b 型(BsmI +)两种。 用维生素D 和安慰剂做对比试验,结果BB 基因型受试者骨密度增加4.4%,Bb 型增 加4.2%,而bb 型反而减少0.3%。
血管紧张素转换酶(ACE )基因,有两种变异取决于287位的碱基对插入与否, 即插入状态(I -form )和消除状态(D -form )。具有D/D基因型的个体,ACE 表 达水平比I/I基因型高25%~200%。在蛋白尿性肾小球疾病患者中,应用ACE 抑 制剂(ACEI )依那普利后,带有缺失基因型的病人蛋白尿与血压无改善,而在插 入基因型的病人中两者均显著降低。
6、药物转运基因和疾病通路基因多态性
许多药物是通过细胞膜上的载体主动转运而进入体内的。这表明,药物转运
基因与药效之间也有非常密切的关系。P -糖蛋白是一种重要的膜载体,它是由MDR -1基因编码的ATP 依赖性跨膜外流泵,可从细胞内向外泵出某些药物或其代谢物, 这些药物包括抗肿瘤药、地高辛、环孢素A 等。据研究报道,MDR -1基因的第26 个外显子的多态性(C3435T )与MDR -1的表达水平显著相关,MDR -1纯合体的表 达率最低,纯合子的病人在口服地高辛后,细胞内的地高辛浓度上升4倍或更高。 致病基因本身发生突变也可导致机体对药物的反应发生变化。例如,阿尔茨 海默(AD )患者的基因表型,常为ApoE4等位基因,出现这种基因表型通常预示 可能患AD 。研究表明,ApoE4基因与机体对他可林的反应性相关,携带ApoE4基因 的患者,用他可林治疗,80%的患者可使病情得到改善;反之,如果患者不携带 该基因,经他可林治疗反而有60%的患者病情出现恶化,目前机理尚不清楚。
7、临床药物基因组学发展
药物基因组学在临床合理用药的研究领域中所形成了新学科分支-临床药物 基因组学(clinical pharmacogenomics)。这个学科是利用药物基因组学的技术 和方法增加药物的有效性和安全性,减少不良反应,实现个体化、可预测及可预 防的医疗,从而改善公众健康的一门新学科。
临床药物基因组学的实施,有赖于广泛、高效的检测。目前,基于SNP 的连 锁图谱开始构建,人们可利用SNP 作为工具对药物反应相关基因进行关联分析, 即:检测某个或某些SNP 在不同药效反应人群之间分布频率的差异,用以测定与 药效相关的基因;基因表达谱的研究,可以探讨与疾病有关的基因和解明药物的
作用机理;差异基因表达(DGE )解析,使用DNA 芯片/DNA微阵列技术,于固相上 配置数千至数万个基因,与标记探针杂交,探针中各个基因的表达量是已知的, 因此与疾病相关的基因群网络、药物作用、毒副作用的机理也可得到清晰的解明。 如果能将所有SNP 全部信息载入DNA 芯片上,就可制造出“基因组扫描仪”,用来 扫描各个个体,并分析它们在基因组成上的差异。随着高通量、高灵敏度和特异 性的检测技术的发展,药物基因组学在临床合理用药中的应用显示出广阔的前景。
8、从基因差异入手个体化用药
目前通用模式的常规给药方法,已暴露出种种弊端。近年倡导的个体化给药, 主要是依据药代动力学原理和参数设计个体给药方案。这种方法不但检测比较费 时,而且对于一些血药浓度与药效不一致的药物来说是不适用的。
药物基因组学研究已经证实,药物相关基因的多态性以及患者基因的变异, 是导致个体药物反应差异的重要原因。而个体基因的差异是一种普遍现象,所以 个体化给药不仅是势在必行,而且必须从基因差异入手,采用药物基因组学的方 法。有的学者认为,未来医学将是基于基因分型的医学(genotypingbased med- icine )。
将来有一天,人们将有自己的基因多态数据,对个体化用药将起到不可限量 的作用。
近年来,基因多态性与疾病和药物相关性的研究广泛开展,进展很快;针对 某类疾病的药物基因组学,如抗癌药物基因组学等,正处于深入研究发展中;在 检测技术方面正向高效、经济、小型化、综合化方向发展。现在已经开发出的专 用方法,仅需少量的样品和费用就可为大量基因提供高通量、高灵敏度和特异性 的差异检测,可较快地确定一个基因多种差异的相对位置,从而提供个体中每个 等位基因的单倍体型。随着蛋白质组学研究的迅速发展并与药物基因组学研究相 结合,将可从核酸和蛋白质水平互补地阐明遗传多态性与药物疗效、毒副作用之 间的相互关系。
这些前沿热门领域的广泛深入研究和进展,促进了临床药物基因组学的迅速 发展。可以预料,药物基因组学将为特定人群设计最为有效的药物,为每一个病 人设计最为理想的用药方案,不仅可以提高疗效,缩短疗程,而且可以减少毒副 作用,降低医药费用。