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2019/8/3,1,遗传药理学,PHARMACOGENETICS,2019/8/3,2,研究药物效应的遗传变异及其规律 在正常个体间，药物代谢酶的动力学参数(米氏常数Km ,反应最大速率Vmax)存有很大差异 在体内试验测量到的药物消除速率差异可自4倍40倍以上 大量的孪生子女和家族的研究显示遗传是造成高度个体间差异的主要因素,遗传药理学,2019/8/3,3,不同病人清除药物的固有能力是不同的 一位具有迅速代谢药物能力的人，为获得适宜的治疗浓度，可能需要更高的剂量、更频繁地给药 一位代谢能力缓慢的病人，为避免发生毒性反应，可能需要较低的剂量和较少的给药次数 对于安全范围较窄的药物尤为重要,2019/8/3,4,20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 对药物的异常反应有时是由于遗传决定的酶缺损而引起的 1959年正式提出“遗传药理学 （pharmacogenetcis）”,遗传药理学的建立,2019/8/3,5,遗传药理学的里程碑工作 1956，Carson等发现对伯氨喹敏感者的G6PD缺乏 1957，Kalow证实对琥珀胆碱反应异常是胆碱酯酶的亲和力异常所致 1960，Evans等发现异烟肼代谢率的遗传差异 2000，人类基因组项目完成,2019/8/3,6,人类基因组计划 促进了遗传药理学的发展 受体多态性和蛋白质多态性 大多数药物代谢酶系统的特征是基因和基因产物的多重性 CYP450超家族由13个家族和许多亚家族组成 人类基因组计划将最终提供所有CYP450系列、解释基因的复杂性,2019/8/3,7,遗传药理学的任务 阐明遗传在机体对药物反应个体变异中的作用 建立以单核苷酸多态性为遗传标志的基因分型与药物反应的关系 对药物敏感性异常的遗传机制 遗传变异对药代和药效的影响 对药物有无遗传性异常反应的预测方法 药物代谢酶、载体、受体多态性 药物对基因的影响(致癌、致畸) 遗传病的药物和基因治疗,2019/8/3,8,认识和阐明药物反应个体和群体间差异的发生机制，提高药物治疗效果 阐明遗传在机体对药物和外源性物质反应个体变异中的作用 从生物化学、药理学、遗传学和基因组学多学科研究与药物反应有关的蛋白质和相关基因，阐明决定药物反应个体差异的根本机制,2019/8/3,9,蛋白质和相关基因的多态性 CYP450、N-乙酰基转移酶、磺基转移酶 UDP-葡萄醛酸基转移酶、p-gp、 有机阴离子和阳离子的转运、 5-羟色胺受体、-受体、DA受体 脂氧化酶、磷酸二酯酶、GTP-结合蛋白 其它可能有关的蛋白质和相关基因,2019/8/3,10,遗传药理学的研究方法 临床观察 全身麻醉药引起体温升高 琥珀胆碱引起长时间呼吸停止 香豆素类抗凝血药的耐受性 双生子法(twin method) 单卵双生(monozygotic twin) 二卵双生(dizygotic twin) 动物模型 基因组DNA多态性检测 限制性片段长度多态性检测 小卫星DNA和微卫星DNA多态性检测 单核苷酸多态性检测,2019/8/3,11,遗传药理学的研究内容 以对药物的敏感性增高或降低为特征的异常反应及引起这些反应异常的遗传机理 因对药物耐受而引起的治疗失败 因药物代谢酶诱导导致恶化的疾患 可能因长期慢性用药而引起的疾患 病因不明的可能与药物有关的疾患 与食物有关的疾患 药物代谢多态性、 受体多态性,2019/8/3,12,1. 药物生物转化(代谢)酶 2. 调控细胞内向和外向通透的转运蛋白 3. 靶受体和靶酶 4. 信号传递复合物 5. 上述系统和物质的调控 6. 上述系统和物质的相互作用和多效反应,阐明在决定药物反应个体差异中起作用的、最终可能有功能意义的候选蛋白及导致药物反应多态性的常见基因多态性,2019/8/3,13,1. 转基因动物模型 2. 有相似遗传机制的其它有机生物体模型 3. 细胞培养和微生物模型 4. 可用于分析功能效应的计算机模型 5. 发现和确立可用于确定表型的工具药,建立离体/在体模型和计算机模型；以此来 研究人类基因及其多态性，阐明它们在药 物反应个体差异中的功能作用,2019/8/3,14,对家系、病人、人群进行遗传学、分子生物学方面的流行病学研究，发现和阐明与药物反应变异相关的候选基因 1. 系譜连锁分析 2. 同胞配对研究 3. 相关等位基因研究 4. 相关全基因组研究 5. 人群的流行病学研究,2019/8/3,15,1. 影响恶性肿瘤生成的药物反应蛋白和基因 2. 与心血管、肺、血液学系统有关的药物反应蛋白和相关基因 3. 小儿反应蛋白和相关基因的发育 4. 环境对药物反应蛋白和相关基因的影响 5.参与精神疾患和认知障碍治疗的药物反应蛋白和相关基因 6.参与酒精效应或是改变酒精效应的药物反应蛋白和相关基因,阐明药物反应蛋白和相关基因 在疾病发生等方面的作用,2019/8/3,16,乙酰化作用：50%的美国人肝脏N-乙酰转移酶活性低(慢乙酰化者)，乙酰化反应需要的时间长，因而这些药物更易引起不良反应(如异烟肼引起周围神经炎，肼屈嗪和普鲁卡因胺引起红斑样狼疮) 在其他人群中，乙酰化反应是快的，需要用较大的剂量或较多的给药次数，以获得所期望的治疗效应；同时乙酰化产物在体内积聚，更易发生肝脏毒性,药物生物转化的差异,2019/8/3,17,血浆假性胆碱酯酶缺乏的人(约1:1500)对琥珀胆碱灭活能力减弱 当应用常规剂量时，可以引起呼吸肌长时间麻痹、持久的呼吸暂停，需要进行机械通气，直到该药物能被其他代谢途径消除为止,水解作用,2019/8/3,18,5%10%的白种人对异喹胍转化能力弱，服用异喹胍治疗高血压时会增加中毒危险(如直立性低血压) 药物的羟化作用降低，可引起药物效应增强 (如用美托洛尔时出现高度的受体阻断作用)；也可增加毒性(苯妥英出现过度的CNS抑制) 受低羟化代谢影响的其他药物：某些抗心律失常药、三环类抗抑郁药、镇咳药,氧化作用,2019/8/3,19,大多数药物性肝损害是不可预测性的 发生机制分为代谢异常和过敏反应两类 即代谢特异质(metabolic idiosyncrasy) 过敏特异体质(hypersensitive idiosyncrasy) 特异体质与个体的细胞色素P450(CYP450)遗传多态性有关,代谢差异产生的原因,2019/8/3,20,超强代谢者(ultra rapid metabolizer,UM) 强代谢者（extensive metabolizer,EM） 弱代谢者(poor metabolizer,PM),2019/8/3,21,华法林活性降低 某些个体在应用治疗量的华法林后表现出非常低的抗凝血活性，要产生期望的药理效应，剂量要高达正常量的20倍 这些病例对华法林生物转化作用并无异常，这种低活性是由遗传控制的华法林和其受体的亲和力降低所致 恶性高热 这种紊乱来自于并用去极化肌松药(琥珀胆碱)和挥发性全身麻醉药(氟烷、异氟烷和七氟烷)引起的反应，出现威胁生命的体温升高,药物效应动力学差异,2019/8/3,22,三者是对基因的功能所作的区分，以直线形式排列在染色体上 结构基因 决定某种蛋白质分子结构的一段DNA，能把携带的遗传信息转录给mRNA，再以mRNA为模板合成具有特定氨基酸序列的蛋白质,受体的遗传多态性,结构基因、调节基因、操纵基因,2019/8/3,23,调节基因 转录翻译合成调节蛋白，指导结构基因在需要时合成某种酶；不需要时则停止合成 操控基因 当操控基因“开动”时，由它控制的结构基因就开始转录、翻译和合成蛋白质；当“关闭”时，结构基因就停止转录,2019/8/3,24,结构基因外显子的突变引起受体蛋白质多态性 调节基因突变引起受体蛋白质表达量的异常,受体的遗传多态性,2019/8/3,25,药物靶蛋白分子的基因多态性,2adrenergic receptor基因存在多态性 受体蛋白的第16位氨基酸残基的差异,Arg16/Arg16（纯合子） Gly16/Gly16 （纯合子） Arg16/Gly16（杂合子）,2019/8/3,26,Gly16/Gly16纯合子可加强2受体表达的负调节 Arg16/Arg16纯合子对支气管扩张剂沙丁胺醇的作用更快、更有效，是决定沙丁胺醇支气管扩张效应的主要因素,2019/8/3,27,2. 受体蛋白的第27位氨基酸残基的差异 Glu27/ Glu27纯合子型可阻止受体的下调,Gln27/Gln27 Gln27/Glu27 Glu27/ Glu27,2019/8/3,28,相 关 概 念, 等位基因(allele) 一个基因出现在同源染色体的相同座位 常染色体显性遗传 变异基因是显性基因，纯合子、杂合子都表现出疾病 常染色体隐性遗传 变异基因为隐性基因，只有纯合子表现疾病，杂合子不表现疾病,2019/8/3,29, 性连锁显性遗传 X染色体所携带的基因遗传，女性获得显性基因的几率比男性高1倍 性连锁隐性遗传 位于X染色体的隐性基因，男性发病率高于女性 单基因变异(monogenic variance) 由一对等位基因所引起的遗传变异,2019/8/3,30,药物疗效的个体差异为表型（phenotype） 与药物作用有关的基因结构为基因型（genotype） 以临床观察到的表型为起点，进一步研究与表型相关的基因型 以已知的基因型为起点，进而寻找与有关表型间的联系,2019/8/3,31,药物代谢酶的变异,遗传因素 引起药物代谢酶的结构变异，改变代谢功能； 环境因素 影响代谢酶的活性高低,2019/8/3,32,药物代谢酶变异的类型和原因,药物代谢的差异实质上是酶的变异 酶结构的变异遗传性 酶活性调控机制的变异环境性 酶含量(浓度)的变异遗传性或环境性,2019/8/3,33,遗传变异与药物吸收, 先天性内因子缺乏 影响维生素B12的吸收，引起恶性贫血 乳糖酶功能低下 乳糖吸收不良，引起遗传性乳糖不耐受症 醛缩酶B缺陷 果糖吸收障碍，诱发腹痛 P-糖蛋白过量表达 MDR及某些药物的生物利用度降低,2019/8/3,34,遗传变异与药物分布, 白蛋白(HAS)变异或缺失 血浆蛋白结合率高的药物作用增强 1酸性糖蛋白(AGP)变异 A、F1、S三种变异型对碱性药物的亲和力不同,2019/8/3,35,基因遗传与环境因素 对药物作用的影响 及流行病学研究方法,2019/8/3,36,双生子研究,同卵双生子(monozygotic twin, MZ)具有相同的基因组，差异由母体宫内或出生后的环境因素所致，该差异可作为环境对表型变异影响的量度 异卵双生子(dizygotic twin, DZ) 遗传特征不尽相同，但因有相同的出生顺序，出生时母亲的年龄相同，在环境方面比非双生子有更多的相似性，为评价基因的影响程度提供了量度,2019/8/3,37,双生子安替比林半衰期与合子特性的关系 共同生活 分开生活 合子特性 安替比林t1/2 合子特性 安替比林t1/2 MZ 13.3 13.8 MZ 9.6 9.0 MZ 11.9 11.2 MZ 13.5 13.8 MZ 11.5 10.8 MZ 14.7 12.4 MZ 11.3 11.2 MZ 11.0 12.3 MZ 9.2 11.2 DZ 10.5 11.1 MZ 13.5 11.2 DZ 15.7 13.5 DZ 9.7 17.1 DZ 14.7 12.2 DZ 9.1 8.3 DZ 13.3 14.3 DZ 11.0 11.3 DZ 13.3 10.6 DZ 14.4 16.7 DZ 9.0 14.2,2019/8/3,38,细胞色素P450酶系统(CYP)的遗传药理学,2019/8/3,39,细胞色素P450酶系统(CYP)命名原则 CYP450超家族分为家族、亚家族和酶个体3级 酶蛋白一级结构中氨基酸顺序的同源程度55%者划入同一亚家族，用大写英文字母表示，如CYP1A 根据同一亚家族各个酶被鉴定的先后顺序再用阿拉伯数字编序，如CYP1A1;再以*1表示野生型，*2以后表示变异型，如CYP1A1*2,2019/8/3,40,CYP450具有共同的结构特征 所有CYP450都含有一个非共价结合的血红蛋白 牢固地结合在细胞的内膜上，是一种内膜蛋白 均通过NADPH/NADH的还原等价物以及氧分子来氧化底物,2019/8/3,41,哺乳动物的CYP450可分为3大类 线粒体P450，主要分布于肾上腺皮质细胞的线粒体，参与类固醇激素的生物合成，与药物或外来化学物质的内代谢无关 微粒体P450，主要存在于肝细胞和肾上腺皮质细胞的内质网，参与药物、致癌物、类固醇激素和脂肪酸的代谢，(CYP1、CYP2、CYP3、CYP4、CYP17、CYP19和CYP21),2019/8/3,42,线粒体和微粒体皆有分布的P450 存在于肝内或肝外组织，主要参与内源性物质的生物合成与代谢，如血栓素、前列环素、胆固醇、维生素D3和胆汁酸等(CYP5、CYP7A1、CYP7B1、CYP8、CYP24、 CYP27和 CYP51),2019/8/3,43,P450的遗传多态性 (geneticpoly-morphism) 遗传多态性使药物代谢存在着种族和个体差异，尤其是CYP2C19和CYP2D6的EM和PM,2019/8/3,44,CYP2D6是最具有多态性的酶系，有表型和基因型之分，酶活性由表型决定 基因突变可以引起酶活性及数量的差异，造成对药物反应的显著个体差异 UM的酶活性较EM更高，这是由于基因扩增而有1个或多个特别活跃的细胞色素2D6基因，使酶活性大大提高,2019/8/3,45,人体P450家族及其亚族 家族 亚族 分子种类 CYP1 1A 1A1 1A2 CYP2 2A 2A1 2B 2B1 2B6 2C 2C8 2C9 2C18 2C19 2D 2D6 2E 2E1 CYP3 3A 3A4 3A5 3A7 CYP4 4B 4B1,2019/8/3,46,在药物代谢中起重要作用的CYP CYP3A4亚族，参与全部药物的50%代谢 CYP2D6约为30% CYP2C9约占10% CYP1A2约占4% CYP2A6和CYP2C19分别占2%,2019/8/3,47,N-乙酰化转移酶,N-acetyltransferase, NAT NAT1代谢活性呈单态性分布 NAT2代谢活性呈多态性分布 慢乙酰化者为纯合子隐性性状 纯合子或杂合子的显性性状为EM 非遗传因素可诱导或抑制NTA2的活性,遗传多态性举例,2019/8/3,48,典型案例 特非那定为代非镇静性抗组胺药物，19861996年，17个国家976例严重心律失常，致死98例； 特非那定主要由CYP3A4代谢为特非那定酸，该代谢物可发挥抗组胺作用，心脏毒性也比原型药物显著为低； 抑制CYP3A4时，特非那定血药浓度明显升高，最终发生尖端扭转型室性心动过速,2019/8/3,49,大环内酯类抗生素 唑类抗真菌药物 H2受体阻滞剂 皮质激素 口服避孕药,可抑制CYP3A4的药物,2019/8/3,50,美贝拉地尔(mibefradil) T通道阻滞剂，于1997年8月批准问世，该药为强效CYP3A4 和CYP2D6抑制剂，与美托洛尔并用，可使其血药浓度增加45倍，导致严重心动过缓或严重心源性休克 受影响的药物包括：普萘洛尔、纳多洛尔、尼索地平、环孢素、奎尼丁、特非那定、阿司咪唑、西沙比利,2019/8/3,51,在肝脏，抑制CYP3A4，使受变药物代谢受阻 在肠道，抑制肠道菌群，使受变药物分解代谢受阻 抑制P-gp表达，药物吸收增加 促进胃肠动力，使胃肠道蠕动亢进，吸收面积增大，均使受变药物作用增强,大环内酯类抗生素对药物作用的影响,2019/8/3,52,葡萄柚汁(grapefruit juice, GFJ) 抑制CYP3A4 可增加非洛地平、钙通道阻滞剂、环孢素、咪达唑仑、洛伐他汀、辛伐他汀、阿托伐他汀等20多种药物的生物利用度，从而诱发不良反应 可以使部分药物的血药浓度增加5%80%,2019/8/3,53,利福平和利福喷汀 是一类强效、广泛、特异的P450同功酶诱导剂( CYP1A2,CYP2C和CYP3A4) 导致部分药物血药浓度降低、作用减弱,2019/8/3,54,主要经NTA2代谢的药物及药物作用的差异 药物 表型 临床意义 异烟肼 PM 外周神经炎 EM 肝脏毒性作用 肼屈嗪 PM 抗核抗体和SLE syndrom EM 治疗高血压时需较大剂量 普鲁卡因胺 PM SLE syndrom EM 易发生室性早搏 醋氨苯砜 PM 血液学不良反应多见 EM 治疗剂量较大,2019/8/3,55,乙酰化酶多态性与疾病,慢乙酰化者膀胱癌发病率高 对致癌芳香胺代谢不充分 喉癌发病率高 不能有效代谢致癌性胺类物质 快乙酰化者结肠直肠癌发病率高 氧位乙酰化代谢产物可掺入DNA 乳腺癌发病率高？,2019/8/3,56,甲基转移酶methyltransferase, MT,儿茶酚-O-甲基转移酶，COMT COMT基因外显子第108密码子发生G A突变，Val Met Val为高活性、高热稳定性 Met为低活性、低热稳定性 COMTLL活性比COMTHH低34倍,2019/8/3,57,乙醛脱氢酶,Aldehyde dehydrogenase，ALDH ALDH1ALDH7 ALDH2位于线粒体内，具遗传多态性 45的汉族人、30的满族人、25的壮族人表现位ALDH2缺失 突变后形成的纯合子和杂合子均可导致ALDH2的缺乏(常染色体显性遗传) ALDH2缺乏者乙醇性肝炎的患病率低,2019/8/3,58,常见药物受体反应的遗传变异,葡萄糖6磷酸脱氢酶缺乏症 Glucose-6-phosphate Dehydrogenase, G6PD G6PD缺乏症是一种主要表现为溶血性贫血的遗传病，平时无症状，在吃蚕豆或伯氨喹啉类药物后出现血红蛋白尿、黄疸、贫血等急性溶血反应,2019/8/3,59,G6PD缺乏的遗传学特征 决定G6PD结构的基因位于X染色体，为性联遗传 G6PD缺乏表现于男性半合子和女性杂合子中 男性半合子将其致病基因遗传给全部女儿杂合子，但不会传给儿子 女性G6PD缺乏者大多为杂合子,2019/8/3,60, XY XX XY XX XY XX XY XX,XY,XX,G6PD缺乏的遗传方式,2019/8/3,61,G6PD酶有许多变异型 各变异型的名称以首先发现地的名称命名 世界各地正常人中最常见的G6PD称为B型（GdB或B+） 在正常黑人中较多见的称为A型（GdA或A+）,2019/8/3,62,在中国人和海外华人中已发现的G6PD变异型有10多种，其中最多见的一种称为Gd广州型(Gd Canton) 在地中海区和其他地区的白人中最多见的变异型是Gd地中海型(Gd Mediterranean) 在黑人中最多见的是Gd A型 前两种变异型的酶的缺乏都比较严重， GdA型比较轻,2019/8/3,63,现已发现的G6PD变异有400余种 大多数G6PD变异型的酶活性仍属正常，在平时或与氧化剂药物或化学物品接触后并不发生溶血和贫血，没有重要的临床意义 Gd地中海型及Gd广东型的酶活性更低，在幼稚红细胞中已经不易测出，因此对氧化剂更加敏感,2019/8/3,64,根据酶活性及临床表现可分为五类 酶活性严重缺乏，平时即经常有慢性贫血 90以上酶的活性缺乏 40%90酶活性缺乏，此两类平时无贫血，但在有诱因的条件下，可发生程度不同的急性溶血性贫血 40以下的酶活性缺乏，即使在氧化剂的损害作用下，一般也不发生贫血 酶活性增加至超过正常的2倍,2019/8/3,65,G6PD缺乏症外周血片示嵌合体 绿箭头示正常红细胞；黄箭头示G6PD缺乏红细胞,2019/8/3,66,G6PD缺乏者禁用或慎用的药物,抗疟药：伯氨喹啉，扑疟母星，氯喹 磺胺药：磺胺嘧啶，TMPSMZ等 砜类药：氨苯砜，普洛明 止痛药：阿司匹林