课件：药物遗传学.ppt

药物反应的遗传基础,2,特应性（idiosyncracy）：不同的个体对某些药物可能表现出不同的反应，有的甚至出现严重的不良副作用，这种现象称为个体对药物的特应性。 如： 降压药 青霉素 巴比妥类药物 水杨酸钠,药 物 遗 传 学,3,环境：摄入的食物，服用的其它药物等等 遗传： 1957年，Motulsky发现药物特应性与遗传有关。 “个体对药物的特应性归根结底是由基因引起的 ”,影响个体对药物特应性的因素：,1959年，Vogel正式提出药物遗传学的概念。,药 物 遗 传 学,4,药物遗传学（pharmacogenetics）是药理学和遗传学相结合的边缘学科，属于生化遗传学范畴，它研究机体的遗传因素对药物代谢和药物反应的影响，尤其是遗传因素引起的异常药物反应。,主要从单个基因角度研究药物与遗传之间的关系。 药物遗传学阐明的基本规律不仅对理解药理学与人类遗传学的基本理论有重要意义，而且对指导临床医生正确用药，掌握用药的个体化原则，防止遗传因素引起的不良药物反应都有重要的指导意义。,药 物 遗 传 学,5,药物代谢过程： 药物被摄入以后，机体对药物的处理过程。,药物代谢的遗传研究,吸收：药物自用药部位进入血液循环的过程。（膜蛋白） 分布：药物进入血液后，借助于血清蛋白的运输，分布 在体内的器官组织。（血清蛋白、药物的理化特 性、局部器官的血流量等） 与靶细胞受体作用。 药物的消除：生物转化、排泄。,6,生物转化： 又称为解毒（detoxi cation），主要在肝脏进行。,第一个步骤氧化、还原或水解过程，产生灭活的代谢物。 第二个步骤结合过程，包括药物的某些代谢物与葡萄糖 醛酸结合，或者与甘氨酸、硫酸、甲基等基 团结合，或者被乙酰化。药物的某种代谢 物结合后的产物一般极性较高，水溶性加 大，易于排出。,药物代谢的遗传研究,7,药物代谢的遗传控制,基因突变通过蛋白质产物影响药物代谢的途径 药物代谢的各个环节都与一定的酶、受体或蛋白质的作用有关，而蛋白质的合成是受遗传控制的。如果编码这些蛋白质的基因发生突变，导致这些酶或受体的缺乏或异常，就可能会影响药物代谢的某个环节，出现异常的药物反应。,药物代谢的遗传研究,8,基因突变与酶缺陷以及异常药物反应的关系,药物代谢的遗传研究,如果由于基因突变产生了结构或功能不正常的蛋白质，通常可以从以下几个途径改变药物的作用：,影响机体对药物的吸收：膜蛋白（如幼年型恶性贫血） 影响药物在体内的分布：血清蛋白（如遗传性甲状腺素结合球蛋白缺乏症） 药物与靶细胞不能发生正常的药物反应：受体 影响药物的生物转化：酶 酶活性降低，药物或中间代谢产物贮积，损害正常生物功能；酶活性 升高，降解速度过快，则达不到有效浓度，相应的药物疗效欠佳。 影响机体对药物的反应：如某些麻醉剂引起的恶性高热 普通催眠剂量的巴比妥类药物导致的烦躁不安,药物代谢的遗传研究,10,药物代谢的遗传控制方式 通过对一个群体中药物代谢的个体变异进行测定和分析可以判断药物代谢的遗传控制方式。 在药理学中，研究人体对一种药物的代谢及效应，通常是给予一份标准剂量，经适当的时间间隔后测定血液中药物水平或其他表示药物代谢速率的参数，例如药物半衰期、清除率等。,药物代谢的遗传研究,11,个体的数目,个体的数目,个体的数目,对药物的反应,对药物的反应,对药物的反应,Rr,rr,RR,rr,RR Rr,群体中药物反应 变异的分布图 A：连续变异的药物代谢受 多基因控制 B：双峰的不连续变异受 完全显性的单基因控制 C：三峰的不连续变异受 不完全显性的单基因控制,A,B,C,12,个体对药物的反应为数量性状，该药物的代谢受控于多基因，遗传因素和环境因素同时发挥着作用，影响药物的代谢和效应。,13,个体对药物的反应为质量性状，受单基因的控制。 显性基因R， 隐性基因r， 双众数分布:显性基因纯合子和杂合子的个体具有同样的药物反应，两种基因型的表现型没有区别，说明药物反应受完全显性的单基因控制。 三众数分布:两种基因型的表现型有区别，说明药物反应受不完全显性的单基因控制。,14,研究结果显示，个体对药物反应的多样性既可能受单基因控制，也可能受多基因的控制。但药物遗传学主要研究由遗传决定的药物反应差异。,药物代谢的遗传研究,15,由药物代谢异常揭示的遗传变异,异烟肼慢灭活 葡萄糖6磷酸脱氢酶缺乏症的遗传变异,16,异烟肼的灭活过程,异 烟 肼 慢 灭 活,异烟肼（isoniazid）又称雷米封，是一种常用的抗结核药。,异烟肼灭活过程,18,按对异烟肼灭活的快慢，人群中可分出两类： 快失活者（rapid inactivator）: 血中异烟肼半衰期为45110分钟； 慢失活者（slow inactivator）: 血中异烟肼半衰期为24.5小时。,异烟肼慢灭活者和快失活者,异 烟 肼 慢 灭 活,异烟肼失活的快慢与肝脏中N乙酰基转移酶的活性有关。,19,家系调查表明N乙酰基转移酶是由常染色体的一对等位基因控制。快失活是按常染色体显性性状传递的，慢失活为常染色体隐性遗传。 快失活者RR 慢灭活者rr 杂合子Rr：具有中等乙酰化速度，异烟肼的 失活速度也居中。,引起异烟肼慢灭活的遗传变异,异 烟 肼 慢 灭 活,20,1990年，科学家Blum等克隆出了人白细胞DNA的三个N乙酰基转移酶基因NAT1、NAT2和NATP，这三个基因构成一个基因簇，定位于8pter-q11。,NATP:假基因 NAT1：870bp的可读框，编码的蛋白质分子量为33kD，负责某些芳基胺药物的N乙酰化，没有遗传变异型； NAT2：870bp的可读框，编码的蛋白质分子量为31kD，负责异烟肼等药物灭活，有多态性。NAT2基因的错义突变可使其基因产物肝脏的N乙酰基转移酶不稳定而活性降低。目前已发现了三种主要的变异型M1、M2和M3。,异 烟 肼 慢 灭 活,21,N乙酰基转移酶（NAT2）的多态性,22,N乙酰基转移酶多态性的临床意义,快灭活者：当间歇给药时，疗效较差； 仅20发生多发性神经炎； 更易可发生肝炎，甚至肝坏死； 不易发生苯妥英钠中毒。 慢灭活者：当间歇给药时，疗效较好； 80发生多发性神经炎； 不易发生肝损害； 更易发生苯妥英钠中毒 。,异烟肼在体内可与维生素B6反应，使后者失活，导致B6缺乏性神经损害。,乙酰化异烟肼 异烟酸乙酰肼,异 烟 肼 慢 灭 活,异烟肼可抑制肝氧化酶对苯妥英钠的生物转化而使苯妥英钠在体内积累而达到毒性水平。,23,乙酰化代谢多态性与药物效应,24,由药物代谢异常揭示的遗传变异,异烟肼慢灭活 葡萄糖6磷酸脱氢酶缺乏症的遗传变异,25,葡萄糖6磷酸脱氢酶缺乏症的临床表现,主要表现为溶血性贫血，一般平时无症状，但在吃蚕豆或服用抗疟药伯氨喹啉类药物后就会出现血红蛋白尿、黄疸、贫血等急性溶血反应。,葡萄糖6磷酸脱氢酶缺乏症的遗传变异,26,GSH可消除机体在氧化还原过程中生成的H2O2的毒性作用。,葡萄糖6磷酸脱氢酶缺乏症的发病机制,(氧化型谷胱甘肽),(还原型谷胱甘肽) 维持红细胞稳定,(谷胱甘肽 过氧化物酶),(谷胱甘肽还原酶),葡萄糖6磷酸脱氢酶缺乏症的发病机制,28,由于以上原因，红细胞变形性降低，不易通过脾（或肝）窦而遭阻留破坏，引起血管内和血管外溶血。,G6PD缺乏,NADPH,H2O2,氧化Hb链表面半胱氨酸的SH基,Hb的4条肽链接触面不稳定而散开,Hb内部的SH被氧化,Hb变性（变性珠蛋白小体(Heinz小体),红细胞膜上的 SH基被氧化,红细胞易被破坏,红细胞对H2O2的抵抗作用降低,GSH,29,根据葡萄糖6磷酸脱氢酶不同的生化特征，可以将患者分为不同的生化变异型。 目前已报告的G6PD生化变异型400种以上。中国人中已发现30多种。,G6PD缺陷的生化变异型,葡萄糖6磷酸脱氢酶缺乏症的遗传变异,30,G6PD缺陷生化变异型的遗传学解释,G6PD缺乏症呈X伴性隐性遗传。 X染色体携带有突变基因的男性半合子：酶活性显著缺乏。 女性杂合子：G6PD缺乏红细胞和正常红细胞的嵌合体。,葡萄糖6磷酸脱氢酶缺乏症的遗传变异,Lyon假说：女性体细胞中的两条X染色体在胚胎发育早期其中的一条会随机失活。,携带有不同比例的两种细胞系的女性杂合子生化变异范围大，表现为众多的生化变异型。,31,图：G6PD缺乏症女性杂合子的外周血片示嵌合体，细箭头示正常红细胞；粗箭头示G6PD缺乏红细胞。,葡萄糖6磷酸脱氢酶缺乏症的遗传变异,32,1986年，葡萄糖6磷酸脱氢酶基因被克隆，1991年这个基因的DNA全序列被公布。 G6PD基因定位于Xq28，由13个外显子组成，全长18kb，编码515个氨基酸。 目前已知，G6PD基因的主要突变形式是点突变。国际上报告了50多种点突变和1种1个密码子缺失的缺失型突变，其中中国人已报告11种点突变。,葡萄糖6磷酸脱氢酶缺乏症的遗传变异,葡萄糖6磷酸脱氢酶缺乏症的遗传变异,33,中国G6PD缺乏者中的11种点突变,34,G6PD缺乏者应禁用或慎用的药、化学制剂及食物,35,单基因药物遗传性状,药 物 遗 传 学,36,单基因药物遗传性状（续）,药 物 遗 传 学,2019/8/6,37,可编辑,38,药物在人体内的代谢是一个十分复杂的过程，不能用单个基因的方法来进行研究。 对一个药物总的药理作用都是由多基因控制的，在药物代谢途径中一系列蛋白质和酶的基因都会对药物作用产生影响。,药 物 遗 传 学,39,药物反应的多基因控制,40,药物遗传学研究的方向：药物基因组学 在“人类基因组计划”实施和完成的过程中，人们逐渐意识到应该把个体对药物的反应放到整个基因组这个整体中加以考虑。 人类基因组计划,药物基因组学,41,What is the Human Genome?,基因组：细胞中所有的DNA，是一个生命体遗传信息的总和。 DNA分子的碱基序列贮存和编码了大量的遗传信息。 人类单倍体基因组序列 含有3.2109碱基对。,42,人类基因组计划就是要阐明人类基因组DNA长达32亿个碱基对的序列，发现所有人类基因并阐明其在染色体上的位置，从而破译人类的遗传信息。 在HGP完成以后，旨在揭示基因组功能和调控机制的功能基因组学的研究已经在各国开展。药物基因组学就是其中的一项重要内容。,Human Genome Project,43,药物基因组学,Pharmacogenomics:,以药物效应安全性为目标，研究主要研究基因组或基因变异对药物在人体内吸收、代谢、疗效及不良反应产生的影响及其作用机制，进而更好地指导新药研发及合理用药，根据不同人群及不同个体的遗传特征来设计和制造药物，最终达到个体化治疗的目标。,44,药物效应基因所编码的酶、受体、离子通道及基因本身作为药物作用的靶，都是药物基因组学的研究关键。但它是从整个基因组的角度寻找药物相关的基因，发现等位基因的差别，以及这些差别在人群的比例，研究所有这些遗传水平上的差别在药物开发以及治疗学上的意义。,药物基因组学,药物基因组学不是以发现人体基因组基因为主要目的，而是利用已知的基因理论，利用已知的基因功能或调控机制改善药物的治疗效果，因此属于功能基因组的范畴。,45,药物基因组学的研究不同于一般的基因学研究，不需要发现新的基因。影响药物效应的基因经常是通过细胞生物学或生物化学研究已经发现了的基因，还可以使用药物作为探针发现已知基因有意义的功能与药物效应的关系，或者发现与药效相关的有意义基因。 药物基因组学研究的主要策略包括选择药物起效、活化、排泄等过程相关的候选基因进行研究，鉴定基因序列的变异。这些变异既可以在生化水平进行研究，估计它们在药物作用中的意义，也可以在人群中进行研究，用统计学原理分析基因突变与药效的关系。,药物基因组学,46,药物基因组计划的主要研究内容： 1、 支持对药物反应的个体多样性的重要机理的研究； 2、 建立决定个体药物反应的蛋白质多样性的数据库； 3、 鉴定重要序列的多样性，重点研究对药物反应表现型相关的基因型。,药物基因组学,47,新药开发,0,2,4,7,6,12,14,9,No. of years:,No. of projects:,57,14,8,4.5,2,1,36,22,90% 消耗,No. of compounds:,300.000,15,4-5,2-3,1-2,1,Data based on several leading pharma Brown, 2003, Drug Disc. Today 8, 23,Phase I, IIa,Phase III, IV,48,消耗的原因,药物安全性与效应性评价大消耗的原因在于: 临床前期使用的动物模型 动物模型本身与疾病的差异（尤其在免疫性及神经性疾病中） 动物模型的毒理学与药代学同人有差异 药物代谢与效应在个体间的差异 不同的遗传背景:遗传多态性 难以预计,遗 传 多 态 性,50,遗传变异Genetic variation,Egg production (6 weeks) 蛋鸡,Meat production (6 weeks) 肉鸡,51,D.simulans & D.yakuba,20% 36,000,000 碱基differences 600,000 氨基酸 differences,52,1% 34,000,000 nucleotide differences 290,000 amino acid differences,53,0.1% 3,400,000 nucleotide differences 12,800 amino acid differences,54,药物基因组学主要研究所有与药物作用有关的这些基因的遗传多态性以及多态性对药物疗效、毒性或副作用的影响。 寻找药物相关基因是药物基因组学的一个重要研究内容。,药物基因组学,55,遗传相关性研究方法,Family based （家系为背景） Traditional linkage analysis（连锁分析） Allele sharing: IBS/IBD（Allele分享分析） Population based（群体为背景） Case-Control study Transmission disequilibrium test (TDT)传递不平衡分析 Sibling control （同胞分析）,56,Paternal allele: CCCGCCTTCTTGGCTTTACA Maternal allele: CCCGCCTTCTCGGCTTTACA,Paternal allele : CCCGCCTTCTTGGCTTTACA Maternal allele : CCCGCCTTCTTGGCTTTACA,主要是通过检测SNPs,寻找药物相关基因,57,Distribution of SNPs for 1630 Genes (Genaissance HapFocus DB),58,Disease Responder,Control Non-responder,Allele 1,Allele 2,Marker A is associated with Phenotype,Marker A: Allele 1 = Allele 2 =,Human Genetic Association Study Design,59,Disease Population N=500,Matched Control Population N=500,1,22,3,000,000 common SNPs across genome Representing every gene,P value,1,22,Informatics to ID gene(s) mapped to associated SNP,Regions of association,Chromosomal Location,Whole Genome Associations,60,研究方法： 基因芯片技术、高通量测序技术 蛋白质分析技术：二维凝胶电泳 质谱分析,药物基因组学,61,PGx efforts in the world,Commercial collaborations based on pharmacogenetics,63,药物基因组学,药物基因组学可以：,根据代谢酶、药物作用受体或靶点的基因多态性情况，指导合适的用药剂量 确认具有某些基因特性的患者接受某种药物治疗更容易发生严重不良反应 确认某些基因特性的患者采用某种治疗方案更容易获益，可以指导药物选择和剂量调整以达到最佳疗效 检测病毒耐药性并选择合适的药物,64,药物基因组学,药物基因组学的意义 ：,避免出现药物的副作用 降低新药的研究开发费用 加快新药开发的步伐,65,“more than 90% of drugs only work in 30-50% of people.”,Allen D. Roses GlaxoSmithKline,66,Adverse Drug Reactions Incidence and Cost 药物副作用的发生与代价,据世界卫生组织调查统计，全球死亡患者中，约有三分之一属于不合理用药所致。在美国，每年约有10 万人死于药物不良反应，直接和间接经济损失高达120 亿美元,67,An ultimate clinical goal of pharmacogenomics. a | At present, only a limited number of patients are treated with a specific drug for any given disease due to adverse eve