第六節藥物基因組學的原理與應用一.藥物基因組學的介紹1.藥物基因組學的誕生和發展（1）誕生早在20世紀50年代，人們就發現不同的遺傳背景會導致藥物反應的個體差異，例如，紅細胞中編碼葡萄糖-6-磷酸脫氫酶的基因發生變異，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個出現變異。80年代后期，這些差異被引進藥物遺傳學，并首次闡明了細胞色素P450酶系中的CYP2D6的基因多態性可以導致病人對藥物的代謝出呈現快代謝和慢代謝兩種不同的方式。到20世紀末，由于分子生物學的發展、分子遺傳學的發展和人類基因組計劃的順利實施，人類基因的多態性不斷被發現和證實，人們認識到人體的許多基因都參與藥物在體內的過程，藥物在體內的反應和代謝也涉及到多個基因的相互作用。基因多態性導致了藥物反應的多樣性，并在藥物遺傳學基礎上發展起來了藥物基因組學，人類開始從基因組水平研究藥物反應的個體差異。2021/3/29星期一1（2）.藥物基因組學的發展

目前，藥物基因組學的發展就是將近幾年在研究人類基因組與功能基因組中發展的新技術（如高通量掃描、生物芯片、高密度單核苷酸多態性(SNP)、遺傳圖譜、生物信息學等）新知識，融入到分子醫學、藥理學、毒理學等諸多領域，并運用這些技術與知識從整個基因組層面系統地去研究不同個體的基因差異與藥物療效的關系，了解具有重要功能意義的和影響藥物吸收、轉運、代謝、排泄的多態性基因，從而明確藥理學作用的分子機制以及各種疾病致病的遺傳學機理，最終達到指導臨床合理用藥、引導市場開發好藥的目的。2021/3/29星期一22．藥物基因組學的概念、研究內容以及研究任務（1）概念藥物基因組學（Pharmacogenomics）是一門研究遺傳因素與藥物反應相互關系的學科，以提高藥物療效、安全性以及指導臨床合理用藥為目標，來研究影響藥物吸收、轉運、代謝、消除等個體差異的基因特性，以及基因變異所導致的不同患者對相同藥物反應的差異，并在此基礎上研制、尋找新的藥物或新的用藥方法的科學。基因多態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、多基因以及重復序列數目的差別)，這種差別出現的頻率大于1%。研究表明基因的多態性是造成藥物反應個體差異的主要原因。2021/3/29星期一3（2）研究內容

藥物基因組學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性(包括藥物代謝酶、藥物轉運體、藥物作用靶點的基因多態性)和對已有蛋白質的結構和功能的研究，來針對性地合成藥物，抑制與疾病有關的蛋白質。藥物基因組學研究決定藥物吸收的基因發生突變后對藥物療效和安全性的影響，研究等位基因多態性與藥物反應多態性之間的內在聯系，從而改變傳統的“一個藥物適合所有人”的觀點，根據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，節約醫療保險費用，降低研發成本等。2021/3/29星期一4（3）任務藥物基因組學的主要研究任務有以下四個方面：一是根據基因組結構和傳統藥物的作用靶點，確定新的藥物的作用靶點，并結合計算機輔助設計、組合化學及其他手段進行新藥高通量篩選；二是根據某些基因多態性和表達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；三是根據與疾病相關的蛋白質的空間結構，尋找藥物的新作用靶點；四是進行藥理作用機制的研究。2021/3/29星期一53.藥物基因組學的研究步驟和方法物基因組學的研究步驟一般是：首先明確藥物作用機制，確定與藥物反應相關的基因產物(如受體或酶等)，而后確定候選基因，并找出其多態性(如單核苷酸多態性)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間的聯系。藥物基因組學主要應用基因組技術（如基因測序、統計遺傳學、基因表達分析等）來研究和開發藥物；應用高效的基因檢測手段如聚合酶鏈反應(PCR)、凝膠電泳、熒光染色高通量基因檢測、等位基因特異性擴增等技術，來檢測一些與藥物作用靶點或能影響藥物作用、分布、排泄相關的基因變異。DNA陣列技術、高通量篩選系統及生物信息學等的發展，為藥物基因組學研究提供了多種手段和思路。2021/3/29星期一6藥物基因組學研究的主要方法和技術（1）單核苷酸多態性(singlenucleotidepolymorphisms，SNPs)

單核苷酸多態性是指同一位點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個方面可導致人類個體的多樣性：一是編碼區SNP(cSNP)改變，使得基因表達產物中某些氨基酸發生變化，從而影響蛋白質的功能；二是調節區SNP(rSNP)改變，使得基因的表達和調控發生變化，基因表達的量發生變化。SNPs的檢測分析大多基于PCR技術，主要有兩種研究平臺：一是以熒光探針為檢測標記，二是運用質譜儀確定特異寡核苷酸微小的質量變化來驗證SNPs。SNPs具有高密度、信息量大、適于自動化操作的特點。（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果可獲得藥物的代謝表型。基因型分析涉及PCR、多重PCR、寡核苷酸連接分析、等位基因特異性擴增、質譜分析、高密度芯片分析等一系列技術。2021/3/29星期一7藥物基因組學研究的主要方法和技術（3）連鎖分析和關聯分析

連鎖分析是用微衛星DNA對家系進行標記定型，根據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，根據疾病的合適遺傳模式進行參數和非參數分析。

關聯分析是在不相關人群中尋找與疾病或藥物反應相關的染色體區域。在常見的復雜性疾病中，由于每個效應基因的貢獻較小，因此該法比連鎖分析更有應用價值。（4）藥物效應圖譜

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

芯片主要是指DNA芯片和蛋白質芯片。在藥物基因組研究中應用較廣泛的是DNA芯片，能高通量檢測基因的表達，確定患者基因組中出現的多態性。2021/3/29星期一8二.藥物基因組學的應用1．指導臨床用藥，實現個體化治療現代分子生物學、分子醫學以及藥物基因組等學科的發展，使醫學研究越來越趨向于個體化。通過對用藥個體基因組多態性及其對藥物反應相關性的分析，可制定基于個體遺傳學特征之上的“個體化治療”(Individualizedtherapies)。目前，應用的方法是根據藥物代謝動力學的原理，通過測定服藥者體內的藥物濃度，計算出藥動學參數，設計個體化給藥方案。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，如何達到個體化給藥，目前尚無可靠的方法。藥物基因組學是以與藥物效應有關的基因為靶點，以基因多態性和藥物效應多樣性為平臺，研究遺傳基因及基因變異對藥動學、藥效學的影響，這就彌補了只根據血藥濃度進行個體化給藥的不足。如今應用藥物基因組學的研究結果指導臨床安全用藥已經取得了比較理想的結果。2021/3/29星期一9續上頁

目前，與藥物反應相關的基因多態性研究主要集中在藥物代謝酶，其中對細胞色素P450家族和硫嘌呤甲基轉移酶的研究最深入。CYP2D6是第一個被發現存在藥物氧化代謝遺傳多態性的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。硫嘌呤甲基轉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性，缺乏硫嘌呤甲基轉移酶的患者使用標準劑量的6-巰基嘌呤，會出現嚴重甚至致命的血液系統毒性[10,11]。遺傳多態性除可表現為藥物代謝酶的多態性外，藥物轉運體(影響藥物的吸收、分布和排泄)的多態性以及藥物作用受體或靶點(如β-腎上腺素能受體)的多態性也會影響機體對藥物的反應。這些多態性導致了許多藥物療效和不良反應的個體間差異2021/3/29星期一102．促進新藥的研究與開發

新藥的發現(drugdiscovery)和開發(drugdeveopment)通常是高投入、高風險、長周期，一個新的化學藥物從發現到進入市場需花費10-12年的時間和5-7億美元。但是利用藥物基因組學可大大加快新藥的發現。髓樣造血細胞抑制因子-1(MPIF-1)是世界上第一個基因組藥物。應用藥物基因組學開發新藥具有快速、高效的優點，它根據不同的藥物效應對基因分型，發現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系，確定有效靶點，優化藥物設計。人類基因組學研究發現的大量新的基因（約5000-10000個），可做為大量新的藥物的作用靶點。在人基因組約3萬個蛋白質編碼基因中，現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工業中，以使用基因組知識發現新的治療靶點。藥物作用靶點的多型性表明，在以開發新藥為目的的基因組篩選中，可以考慮DNA序列突變，這為開發以疾病為靶點的新藥提供了思路。2021/3/29星期一11續上頁

此外，藥物基因組學可根據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，根據試驗數據和結果，在進入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，避免不良反應的發生。重新評價原來一些證明“無效”或因不良反應大而未獲批準的藥物。利用藥物基因組學重新評價這些證明“無效”或因不良反應大而未獲批準的藥物，利用基因芯片技術將該藥物應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上市，從而避免巨大資金浪費。如抗精神分裂癥藥物氯氮平，該藥是作用于中樞神經系統的抗精神病藥物；在粒細胞缺乏癥的藥物效應基因被確定后，極大地改善了其使用，除極少數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。2021/3/29星期一121.Defination1.藥物基因組學（pharmacogenomics）是研究基因序列的多態性與藥物效應多樣性之間關系，即基因本身及其突變體與藥物效應相互關系的一門科學。2.Applicationofgenomescience(genomics)tothestudyofhumanvariabilityindrugresponse.3.Studyofgenesresponsibleforthevariabilityinindividualresponsestodrugs2021/3/29星期一13LooseDefinitionsPharmacogeneticsIndividualvariationindrugmetabolismanddistributionSinglegenePharmacogenomicsPharmacogenetics+variationamongindividualsindrugtargetsanddiseasemechanismMultiplegenes2021/3/29星期一142.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-effectiveness2021/3/29星期一15PharmacogenomicsNon-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).2021/3/29星期一163.ThestudyareasofPharmacogenomics3.1.DrugMetabolismandtransportMultiplecompaniesworkingonmicroarrayanalysisofcytochromep450sanddrugtransporterstobeabletopredictdrugmetabolisminpatients.Ingeneral,pharmacogenomicsandpharmacogeneticswillinitiallyhavetheirlargestimpactondrugmetabolismratherthanondrugtargets.2021/3/29星期一173.2.Drugtargetsi)Inferfunctionbasedonhomologywithknowngenes(takeadvantageofhumangenomeinformation).ii)Transgenicorknockoutmiceorcells(insertorremoveanunknowngeneandmonitororganismforchangesinfunction).iii)interferenceRNAorantisenseagentstosuppressexpressionofaproteinassociatewithaparticulargeneiv)Mutateunknowngeneandmonitororganismforchangesinfunctionv)LookatpopulationofSNPsasafunctionofage:SNPsthatcausedebilitating/fataldiseaseswillbeobservedinasmallerpercentageofthepopulationasthepopulationages.Thisisduetotheindividualswiththosegeneshavingahigherprobabilityofdyingatanearlyage.Non-clinicalapproachestoassignfunctionofinterestinggenesidentifiedbasedonSNPsorDNAchipbasedgenomicanalysis.2021/3/29星期一18PolygenicandDrugResponse2021/3/29星期一193.PharmacogenomicsofP-gpPositionanddistributionofvariatedMDR1gene(1)2021/3/29星期一20PositionanddistributionofvariatedMDR1gene(2)2021/3/29星期一21PharmacogenomicsofP-gp2021/3/29星期一22TherelationshipofgenotypeandphenotypeHoffmeyer,S.etal.(2000)Proc.Natl.Acad.Sci.USA97,3473-3478Fig.3.

Correlationoftheexon26

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

volunteersandpatientswasdeterminedbyWesternblotanalyses.BoxplotshowsthedistributionofMDR-1expressionclusteredaccordingtotheMDR-1genotypeattherelevantexon26

SNP2021/3/29星期一23PlasmalevelsofdigoxinafterrifampininductionofP-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.2021/3/29星期一24Tironaetal.,JBC2001;Nozawaetal.,JPET2002;Nishizatoetal.,2003;Niemietal.,Pharmacogenetics2004;Morimotoetal.,DrugMetabPharmacokinet2004IntracellularExtracellularF73LV82AN130DR152KP155TE156GV174AD241NN432DD462GG488AD655GE667GI353TN151SP336RC485FL643FL543W4.GeneticVariantsofOATP1B12021/3/29星期一25TimeBloodConcentration“Normal”ActivityEnhancedActivityDecreasedActivityHepatocyteMRP2OATP1B1BileBloodhydrophillic“statin”HMG-CoAreductaseinhibitornotmetabolizedClearanceisuptakerate-limitedPravastatinasaProbeDrugtoStudytheImpactofOATP1B1GeneticVariationinVivo2021/3/29星期一26SLCO1B1andABCB1genotypes2021/3/29星期一27Nishizatoetal.,ClinPharmacolTher2003Non-renalclearance:*1b/*1b(n=4) 2.01±0.42