结构生物学第十一讲-1-药物基因组学及其研究进展课件

1、药物基因组学及其进展前言理想的药品没有理想的药品治疗领域有效性（）早老性痴呆(Alzheimers)30止痛(Analgesics)80哮喘(Asthma)60心率失常(Cardiac arrythmias)60抑郁症(Depression)62糖尿病(Diabetes)57丙肝(HCV)47肿瘤(Oncology)24骨质疏松症(Osteoporosis)48风湿性关节炎(Rheumatoid arthritis)50精神分裂症(Schizophrenia)60不同类型疾病及其临床有效性影响药效的因素年龄性别体重疾病饮食习惯抽烟饮酒药物拮抗 环境因素 基因多态性 受体 离子通道 药物代谢酶

2、药物运输蛋白单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism, SNP） 单个碱基对替换平均1000bp发生1个 每个基因中含有510个 人类中含有500万1000万 已发现300万编码区SNP 调节区SNP 药物基因组学的概念及由来药物基因组学和药物遗传学药物遗传学(pharmacogenetics)的概念是Friedrich Vogel在1959年提出的,它研究包括药物在内的外界化学物质(尤其是有毒外源物质) 引起机体反应(主要指毒性和不良反应) 的遗传多样性。 药物基因组学(pharmacogenomics)是以提高药物疗效及安全性为目标,研究影响药物分布、消

3、除等个体差异的基因特性,以及基因变异所致的不同病人对药物的不同反应,并由此开发新的药物和用药方法的学科。 药物基因组学的研究内容 药物基因组学研究药物效应的个体间差异,针对不同个体基因型进行个性化治疗。其研究内容包括药物效应的基因型预测和基因组学在医药上的应用,在分子水平上证明和阐述药物疗效、药物作用的靶位、作用模式和毒副作用。药物代谢途径 一般说来,药物在体内要经历下列过程：吸收、经血液运输如与血浆蛋白结合分布、与受体在靶组织相互作用产生药效、经代谢酶等作用发生生物转化、由肾等排泄。这一过程涉及了一系列的酶、受体、转运蛋白等。 基因多态性与药物代谢药物动力学（Pharmacokinetic）

4、 阐述药物在体内的吸收、分布、代谢、排泄过程 。药物代谢酶类药物运输蛋白 药效学（Pharmacodynamic） 和每种药物作用的特异的靶相关 G蛋白偶联受体 离子通道 核激素受体 蛋白酶 药效差异性是多因素综合的结果药物基因组学研究方法和技术表型和基因型分析连锁分析和关联分析药物效应图谱单核苷酸多态性芯片技术表达水平多态性分析 药物基因组学研究方法展望药物基因组学：基因多态性与药物效应个体多样性紧密联系 大规模基因分型技术 统计学分析工具 机器人技术 微流体技术 新药发现 重新估价未通过的药 寻找新药靶 寻找生物标志物个性化、可预测、可预防的治疗策略 药物代谢酶多态性与药物动力学生物转化第

5、一相： 氧化、还原、水解等引入极性基团 第二相： 极性基团与体内内源性成分结合,生成极性强、水溶极性强、药理惰性的化合物 药物代谢酶多态性 CYP:细胞色素P450酶系; DPD:二氢嘧啶脱氢酶; GST:谷胱甘肽S-转移酶; NAT:N-乙酰转移酶; TPMT:硫代嘌呤甲基转移酶; UGT:UDP-葡萄糖苷酸转移酶; 药物代谢酶多样性的作用药物代谢酶的多样性导致血液中药物浓度以及药物的半衰期发生变化。药效持续时间的延长/缩短有效剂量的增多/减少促使药物之间相互作用干扰前体药物的活化相反药效和细胞毒性基因多态性与药效学 药效方面的差异和每种药物作用的特异靶分子相关。 主要的靶点是胞外、胞内受体

6、、酶(血管紧张素转换酶)或转运蛋白（P-糖蛋白），主要的机制是影响细胞信号转导、细胞周期控制以及其他细胞事件。 遗传多态性对药效的影响往往是多基因的。CYP3A4 CYP3A4是代谢药物最多的一种代谢酶,代谢目前市场上55%的常用药物，变体种类近20种。1998年,在研究硝苯地平的药物反应时,发现其5启动子区的多态性CYP3A4-V。这种等位基因在高加索人中占9%,在非裔美洲人中占53%,但未在台湾人中发现,在一项研究中,发现用化疗药物治疗的病人中,带有CYP3A4-V等位基因的病人其治疗相关的白血病发病率比未携带者低。 CYP2D6 CYP2D6是代谢药物种类数目仅比CYP3A4少的代谢酶。

7、 它的遗传多态性广泛影响到许多药物的代谢，包括b-受体阻滞剂、抗抑郁药、抗精神病药、镇咳药等。CYP2C19 与CYP2D6相比,CYP2C19多态性引起的药物代谢障碍在亚洲人中所占的比例为18-23%,而西方人仅占2-5%。CYP2C19 所代谢药物种类虽少但临床较为常用。目前至少已确定6 种有缺陷的等位基因, 如个体带有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,增强药物的反应。最近，德国霍夫曼 拉罗歇公司的科学家以CYP2D6 和CYP2C19 遗传多态性为基础，设计了一种制定药物剂量指南的DNA芯片。采用该DNA 芯片测试患者这两个基因的SNPs，可分析

8、和确定患者药物代谢状况，由此制定个性化治疗方案。 TPMT 硫代嘌吟甲基转移酶(thropurine methyltransferase, TPMT)转移甲基到底物的巯基上,灭活底物,在巯基嘌吟、硫唑嘌吟等药物代谢中起着重要的作用。治疗儿童急性淋巴细胞白血病(ALL)的6-巯基嘌吟(6-MP)在体内的代谢主要是由TPMT 决定的。 NAT 人N-乙酰基转移酶(NATs)家族中有两个成员NAT1和NAT2。NAT1的底物有对氨基苯甲酸和对氨基水杨酸，NAT2的底物有异烟肼、普鲁卡因胺、肼屈嗪、磺胺类药物。目前至少有17种NAT1多态性形态得到确认。NAT2的多态性在不同的种族中有较大的差别。NA

9、T2分为为快乙酰化型和为慢乙酰化型，慢乙酰化型比例在高加索人中所占的比例为50%，而在日本人中仅占10%。G蛋白偶连受体G蛋白偶连受体种类很多,2-肾上腺素受体为其中研究较多的一类,它有三种多态性可改变受体功能：Arg16Gly、Gln27Glu、Thr164Ile。2-肾上腺素受体的基因多态性与哮喘病人对2-受体激动剂的不同敏感性有关。细胞内受体 维生素D受体(VDR)是一种配体依赖的核转录因子。它在维持机体钙、磷代谢、调节细胞增殖、分化等方面起重要作用。VDR基因多态性与骨质疏松症、骨关节炎及前列腺癌等疾病的发生有关。维生素D受体基因根据其有无限制性内切酶BsmI位点可分为B型(BsmI-

10、)和b(BsmI+)两种基因型。在高加索人群中BB基因型骨密度明显低于bb型,且绝经后骨量的丢失高于其他基因型。用维生素D和安慰剂做对比实验时,BB基因型受试者骨密度增加4.4%,Bb基因型增加4.2%,而bb基因型反而减少0.3%。蛋白酶 血管紧张素转换酶基因的两种变异取决于其287位的碱基对是插入状态(I-form)还是消除状态(D-form)。美国白人中这种突变的分布率分别为基因型I/I(23%), I/D(49%),D/D(28%)。具D/D基因型的个体ACE表达水平比I/I基因型高25-200%,心肌梗塞的发生率比I/D和I/I基因型低23%。这可能是由于与D基因型相关的大动脉硬化增

11、加和动脉壁增厚。在蛋白尿性肾小球疾病病人中应用ACE抑制剂依那普利后,带有缺失基因型的病人蛋白尿和血压无改善,但在插入基因型的病人中两者显著降低。 转运蛋白P-糖蛋白是由MDR-1基因编码的ATP依赖的跨膜外流泵。它从细胞内向外泵药物或其代谢物,这些药物包括抗肿瘤药物、地高辛和环孢素A等。表型(phenotype)和基因型(genotype)分析 药物代谢的表型分析可通过测定其代谢情况或临床结果而获得。基因型分析涉及PCR-RFLP、多重PCR、等位基因特异性扩增、寡核苷酸连接分析、高密度芯片分析、质谱分析等一系列技术。 连锁分析(linkage analysis)和关联分析(associat

12、ion analysis) 连锁分析是用微卫星DNA 标记对家系定型, 根据家系遗传信息中基因间的重组率计算出两基因之间的染色体图距。另外根据疾病有无合适的遗传模式,可分别进行参数分析与非参数分析。关联分析则在不相关人群中寻找与性状(疾病或药物反应)相关的染色体区域。如果某一等位基因能增加患某种疾病的风险,那么患者中含这等位基因的频率应高于正常者,即这一等位基因与该疾病存在着关联。药物效应图谱(medicine response profiles，MRPs)该技术利用患者微量的DNA来预测他们对某种药物的效应。目前用于研究临床药物在一小部分患者群体中所产生罕见不良反应(reverse effe

13、cts) ,以及协助医生确定患者是否对相对罕见而严重的药物不良反应具有易感性。单核苷酸多态性( single nucleotide polymorphisms，SNPs)SNPs的检测分析多基于PCR技术。分析核苷酸多态性,通常有两种研究平台：以质谱为基础的平台和以荧光标记为基础的平台。前者运用质谱仪确定特异寡核苷酸微小的质量变化来验证相关SNPs，后者以荧光探针为检测标记。SNPs 具有高信息量、高密度、便于自动化操作的特点,因此在药物基因组学研究中可发挥重要的作用。它可作为一种高效的多态标记,用于复杂性疾病的关联分析;也可作为个体遗传特征的十分有效的标记,用以构建SNPs 图谱,对疾病进行

14、准确的基因诊断。芯片技术 DNA芯片个体优化治疗 开发新药 药物筛选 蛋白质芯片表型指纹 表达水平多态性分析 疾病进程、药物作用和DNA 之间的关系是间接的,而相应的蛋白质与疾病进程和药物作用密切相关。因此表达水平的多态性分析,在预测药物对疾病的疗效、疾病进程,阐明不同个体间的差异方面是相当重要的。重新估价过去未通过的新药对原来一些证明“无效”或“毒副反应大”的药物,药物基因组学研究可以根据基因型选择有效的治疗群体,避免不良反应的发生。成功的例子是第一个非典型性抗精神活性药氯氮平(clozapine)疾病和药物关系“联通图” “联系图” ：存储大量药物资料和病理信息的数据库 “基因痕迹”：每一种药物都有自己的“基因痕迹”，而病体细胞也有自己的基因特征 “联系图”的最大作用是在基因水平上揭示“药物分子如何治病”，模拟预测一些新药物的治疗效果，还可以分析已有药物是否具有新功能，能否治疗其他疾病。 生