藥物基因組學(xué)的概念.ppt

1、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

2、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?；蚨鄳B(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。,（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

3、影響藥物吸收、轉(zhuǎn)運、代謝、排泄的多態(tài)性基因，從而明確藥理學(xué)作用的分子機制以及各種疾病致病的遺傳學(xué)機理，最終達到指導(dǎo)臨床合理用藥、引導(dǎo)市場開發(fā)好藥的目的。,2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、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

4、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。,（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)運體、藥物作用靶點的基因多態(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，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”，

5、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)療保險費用，降低研發(fā)成本等。,（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，確定新的藥物的作用靶點，并結(jié)合計算機輔助設(shè)計、組合化學(xué)及其他手段進行新藥高通量篩選；二是根據(jù)某些基因多態(tài)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(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；四是進行藥理作用機制的研究。,3. 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

6、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、等位基因特異性擴增等技術(shù)，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(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。,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(single nucleotide polymorphisms，SNPs) 單核苷酸多態(tài)性

7、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(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，使得基因的表達和調(diào)控發(fā)生變化，基因表達的量發(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。 （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

8、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。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(zhì)譜分析、高密度芯片分析等一系列技術(shù)。,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

9、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，確定患者基因組中出現(xiàn)的多態(tài)性。,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”(Individualized therapies)。目前，應(yīng)用的方法是根據(jù)

10、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，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，這就彌補了只根據(jù)血藥濃度進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。,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

11、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。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(如-腎上腺素能受體)的多態(tài)性也會影響機體對藥物的反應(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,

12、2促進新藥的研究與開發(fā),新藥的發(fā)現(xiàn)(drug discovery)和開發(fā)(drug deveopment)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(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，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，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。在人基因組約3萬個蛋

13、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。藥物作用靶點的多型性表明，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)以疾病為靶點的新藥提供了思路。,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，在進入、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

14、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。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。,1. Defination,1.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.Application of genome science (genom

15、ics) to the study of human variability in drug response.,3.Study of genes responsible for the variability in individual responses to drugs,Loose Definitions,Pharmacogenetics Individual variation in drug metabolism and distribution Single gene Pharmacogenomics Pharmacogenetics + variation among indiv

16、iduals in drug targets and disease mechanism Multiple genes,2. The difference and relation of pharmacogenetics and pharmacogenomics,Pharmacogenetics: Genetic basis of drug response from the perspective of inherited traits and ethnic differences i) Differences in drug metabolism and transport (PK) ii

17、) Differences in a drug receptor (PD) Examples i) 5% of caucasian population has altered 2D6 isozyme of cytochrome P450, its absence dissallows conversion of the prodrug of codiene to its active form. ii) 50% of asians have alcohol intolerance due to single point mutation in aldehyde dehydrogenase l

18、eading to elevated acetaldehyde concentrations and the associated adverse reaction (headache, facial flush). Current pharmacy practice: Use family history, racial and ethnic background to identify possible adverse drug response Future pharmacy practice: Linkage of genetic tests (genetic markers) to

19、prescribing i) Address safety concerns ii) Address benefit concerns iii) Current limitations with respect to widespread use a) require high-throughput screening approaches (DNA chips) b) robotic methods for sample preparation c) cost-effectiveness,Pharmacogenomics,Non-inherited genetic traits that a

20、lter drug response or leads to a disease state (i.e. point mutations or collection of mutations): Identify trait using molecular means (PCR analysis, DNA chips). SNPs: single-nucleotide polymorphisms: Variation at a single base that is found in at least 1% of the population. i) SNP Consortium: Colla

21、boration of pharmaceutical and technology companies and academic researchers focused on identifying SNPs. 1.8 million identified to date. ii) Estimates of 10 million SNPs in the human genome including non-coding regions. SNPs in non-coding regions may effect expression levels etc. iii) Important to

22、validate a SNP in a significantly large, ethnically diverse population to determine the allele (alternative forms of a gene) population frequency. iv) Focus on SNPs in regions that code for proteins, including proteins that influence ADME (absorption, distribution, metabolism and excretion).,3. The

23、study areas of Pharmacogenomics,3.1. Drug Metabolism and transport Multiple companies working on microarray analysis of cytochrome p450s and drug transporters to be able to predict drug metabolism in patients. In general, pharmacogenomics and pharmacogenetics will initially have their largest impact

24、 on drug metabolism rather than on drug targets.,3.2. Drug targets,i) Infer function based on homology with known genes (take advantage of human genome information). ii) Transgenic or knockout mice or cells (insert or remove an unknown gene and monitor organism for changes in function). iii) interfe

25、rence RNA or antisense agents to suppress expression of a protein associate with a particular gene iv) Mutate unknown gene and monitor organism for changes in function v) Look at population of SNPs as a function of age: SNPs that cause debilitating/fatal diseases will be observed in a smaller percen

26、tage of the population as the population ages. This is due to the individuals with those genes having a higher probability of dying at an early age.,Non-clinical approaches to assign function of interesting genes identified based on SNPs or DNA chip based genomic analysis.,Polygenic and Drug Respons

27、e,3.Pharmacogenomics of P-gp,Position and distribution of variated MDR1 gene (1),Position and distribution of variated MDR1 gene (2),Pharmacogenomics of P-gp,The relationship of genotype and phenotype,Hoffmeyer, S. et al. (2000) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 3473-3478,Plasma levels of digoxin after

28、 rifampin induction of P-gp,Hoffmeyer, S. et al. (2000) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 3473-3478,Tirona et al., JBC 2001; Nozawa et al., JPET 2002; Nishizato et al., 2003; Niemi et al., Pharmacogenetics 2004; Morimoto et al., Drug Metab Pharmacokinet 2004,4. Genetic Variants of OATP1B1,Time,Blood Concentration,“Normal” Activity,Enhanced Activity,Decreased Activity,Hepatocyte,MRP2,OATP 1B1,Bile,Blood,hydrophillic “statin” HMG-CoA reductase inhibitor not metabolized Clearance is uptake rate-limited,Prava