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药物基因组学发展和应用【一】(长文慎入)

2016/05/24 来源:生物文摘
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导读
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。

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。


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。

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(single nucleotide polymorphism ,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ABCB1 3435 C>T,ABCB1是基因的名称-三磷酸腺苷结合盒蛋白B1( Adenosine-triphosphate binding cassette protein B1,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。The CYP2C19*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。 ABCB1 3435 C>T 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ABCB1 3435 C>T 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ABCB1 3435 C>T的多态性相关。但相反的是,携带ABCB1 3435 C>T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个拷贝。CYP2D6*2即为基因拷贝数变异的多态性,携带有该等位基因的个体表现为超强代谢者。选择性5-羟色胺再摄取抑制剂,以及他莫昔芬都是CYP2D6的底物,其多态性将会影响到药物的剂量、疗效和毒性。

四、基因多态性研究的整体思路

首先,明确基因多态性的类型和多态性所影响到的蛋白。蛋白包括但不只局限于酶、转运体和受体。多态性的功能影响可以是蛋白活性的增加,也可能是蛋白活性的降低或者根本没有影响。

第二,要考虑人种的差异性,比如,某些CYP2C19的SNP在亚洲人和白人中的发生频率要高一些。

第三、分析基因多态性和药物之间的关系。多态性可以影响到药物的剂量、效能、毒性、药动学或药效学。换过来说,多态性也可能对药物的效能和毒性没有影响。第四,分析基因多态性和疾病之间的关系。多态性可以影响疾病的状态,预后和易感性。此外,基因多态性也可以用于对某些疾病的筛查或诊断性测试。

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