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医学遗传学 药物遗传学Pharmacogenetics 细胞生物学与遗传学教研室杨保胜教授 2 3 药物遗传学 pharmacogenetics 又称药理遗传学 它研究遗传因素对药物代谢的影响 特别是由于遗传因素引起的异常药物反应 药物遗传学研究揭示了许多药物异常反应的遗传基础和生化本质 对临床医师正确用药 掌握用药的个体化原则 从而防止各种与遗传有关的药物反应具有重要的意义 4 第一节药物代谢的遗传控制 人们对某种药物产生特殊反应 副反应 称为特应性 idiosyncracy 如皮疹 溶血 肠道反应等 许多特应性是由于遗传缺陷而影响了药物体内代谢过程和药物效应所致 药物体内代谢包括药物的摄入 吸收 分布 药物与靶细胞 受体 之间的相互作用而产生药效 以及经转化或分解后的排泄等 如与这个过程中有关的各种酶 受体 运输蛋白等有遗传性缺陷 就会影响药物代谢的一定环节 出现异常药物反应 此种遗传缺陷可从以下几个途经改变药物的作用 5 药物 摄入 吸收 载体 分布 血浆蛋白 药物与靶细胞作用 受体 转化分解 氧化 还原 水解 与葡萄糖醛酸结合和乙酰化等酶 排除体外 口服 肌注 静脉点滴 6 1 药物的吸收水溶性药物吸收 需要借助膜上的载体 因此膜蛋白异常会直接影响药物的吸收 如幼年型恶性贫血患者胃粘膜缺少内因子 因此影响消化道对维生素B12的吸收 2 药物的分布药物分布要借助血浆蛋白的运输 如血浆蛋白异常 失去与药物结合的能力 将影响药物在体内的分布 如Down综合症患者血浆蛋白与药物结合力降低 导致水杨酸浓度升高 3 药物与靶细胞的相互作用有些药物需与靶细胞的相应受体结合后才能发生该药的效应 如受体异常会导致异常药物反应 如华法令耐受型患者肝中的华法令受体异常 与华法令结合力降低 故需要高于正常剂量20倍的浓度才能起抗凝作用 7 4 药物的转化大部分药物在肝脏中经转化而失去活性 如与药物转化 氧化 还原 水解 与葡萄糖醛酸结合和乙酰化等 分解有关的酶异常 会影响药物的正常代谢 如酶活性过低 使药物或中间产物积累 损害正常生理功能 若酶活性升高 代谢速率过快 则不能达到有效浓度 8 质量性状 完全显性 aaAA Aa 数量性状 隐性AA Aaaa 9 各种不同的药物在人体内的代谢是受各种不同的遗传基础所控制的 有些药物的代谢异常是属于单基因遗传的 而另一些药物的代谢异常是属于多基因遗传的 本节主要介绍单基因遗传的异常药物反应 第二节药物代谢的遗传变异 10 1 异烟肼等慢乙酰化和快乙酰化 慢乙酰化 slowacetylation 和快乙酰化 rapida 很多种药物如异烟肼 抗结核药 磺胺二甲嘧啶 普鲁卡因酰胺 苯乙肼 硝基安定 肼苯达嗪 氨苯砜等 都需在肝脏中经N 乙酰基转移酶的作用使其乙酰化后失活 然后经肾脏随尿排出体外 按照乙酰化速率的不同 可将人群分为三类 快灭活者 慢灭活者和中等灭活者 N 乙酰基转移酶的活性强弱 是由位于常染色体上的一对等位基因 R和r 所控制 三者的基因型分别为RR rr和Rr 属不完全显性遗传 11 异烟肼又称雷米封 是治疗结核病的最重要的药物之一 此药吸收后在血液中的浓度很快会提高 当经肝脏时则经乙酰化后形成乙酰异烟肼而灭活 乙酰异烟肼失去药效 减活 由肾脏随尿排出 12 N 乙酸基转移酶的三个基因NAT1 NAT2和NAT3 假基因 构成基因簇 该基因簇定位于8pter q11 NAT1负责某些芳基胺药物的N 乙酰化 没有遗传变异性 而NAT2基因有多态性 负责异烟肼等药物的灭活 13 慢灭活者 异烟肼在血浆中半衰期为2 4 5h 快灭活者该药的半衰期仅为40 110min 中等灭活者的半衰期为2h 没有异常药物反应 慢灭活者由于药物在血液中维持高浓度时间过久 常会引起周围神经炎 异烟肼与体内的VB6反应而使B6失活 而导致B6缺乏性神经损伤 14 快灭活者由于体内产生较多的乙酰异烟肼 在肝中可水解为对肝脏有毒害作用的乙酰肼 86 快灭活者服用异烟肼后会发生肝炎 甚至肝坏死 如果异烟肼合用对氨水杨酸 能抑制异烟肼的乙酰化 可使异烟肼诱发肝炎的发病率降低 15 慢灭活地理分布 如果结核患者每天服用异烟肼治疗 快灭活者与慢灭活者疗效相同 如每周服药两次 则快灭者疗效较差 服用对氨水杨酸或链霉素 可提高疗效 如每周服药一次 快灭活者即使服用对氨水杨酸或链霉素 疗效较慢灭活者也差 16 2 葡萄糖 6 磷酸脱氢酶 G6PD 缺乏症 葡萄糖 6 磷酸脱氢酶 glucose 6 phosprhatedehydrogenase G6PD 缺乏症是一种既与糖代谢有关 也与药物代谢异常有关的一种主要表现为溶血性贫血的先天性代谢病 患者平时无症状 但服用伯氨喹啉类药物或吃蚕豆后出现血红蛋白尿 黄疸 贫血等急性溶血反应 溶血具有自限性 一般都能恢复 但偶尔引起致命后果 17 葡萄糖葡萄糖 6 磷酸果糖 6 磷酸乳酸 葡萄糖酸 6 磷酸5 磷酸核酮糖NADPNADPHNADPNADPH GR GSSHGSH GSHPX H2OH2O2 戊糖代谢 无氧糖酵解 G6PD 6PGD 核酸代谢 谷胱甘肽过氧化物酶 谷胱甘肽还原酶 G6PD是戊糖旁路中一个重要的酶 催化G6P脱下两个氢使NADP还原生成NADPH 后者主要用于使氧化型谷胱甘肽 GSSG 生成还原型 GSH 18 G6PD活性正常时 可脱下G6P的氢 经NADPH作用 使谷胱甘肽几乎都是还原型 GSH GSH有保护Hb 膜蛋白和酶中的巯基 SH 免受氧化的作用 可消除机体在氧化还原中所产生的H2O2的毒性作用 G6PD缺乏症患者由于G6PD的缺陷 使NADPH的生成减少 使GSSG增多 GSH减少 含巯基的膜蛋白 酶和血红蛋白不能有效地得到保护 19 另外GSSG还可与Hb 链的半胱氨酸残基上的巯基结合生成GSS Hb 混合二硫化合物 这样当患者进食蚕豆或伯氨喹啉类药物时 可使体内聚积大量的H2O2 含巯基的膜蛋白和酶受到损害 而使红细胞破坏溶血 GSS Hb在红细胞内大量堆积 形成珠蛋白小体 Heinz小体 有Heinz小体的红细胞变形性降低 不易通过脾窦或肝窦而遭阻留而破坏 引起溶血 20 产生溶血的机理 G6PD NADPH生成不足 GSH H2O2迅速分解 GSH破坏 过多H2O2氧化Hb 表面的 SH基 Hb的四条链接触不稳定而散开 Hb内部的 SH也被氧化导致Hb变性 变性后形成珠蛋白小体附着于红细胞膜上 21 最近得研究表明 NADPH的减少 本身也降低了红细胞对H2O2的抵抗作用 由于上述原因 红细胞变形性降低 不易通过脾 或者肝 窦 而遭遇阻牛破坏 引起血管内 或者血管外溶血 G6PD基因定位于 Xq28 有13个外显子 18kb长 编码515个氨基酸 G6PD缺乏遗传方式为XR G6PD缺乏有基因突变产生 其变异型可以达400多种 我国有300多种 酶活性严重缺乏 检测不到酶的活性 酶活性中度 严重缺乏 10 60 酶活性轻度缺乏 60 22 中国人G6PD缺乏者中的11种点突变 23 根据G6PD的酶活性和临床表现可分为五类 1 酶活性严重缺乏型特点是无诱因的慢性溶血 而且无自限性 2 酶活性严重缺乏型 10 此类患者在服用伯氨喹啉 磺胺类等多种有氧化作用的药物及食用蚕豆时可诱发急性溶血 但有自限性 3 酶活性中度至轻度缺乏少数药物可引起溶血 多见于黑人 4 酶活性轻度降低或正常一般不发生溶血 正常G6PD即属于此类 5 酶活性增高 150 400 因代谢速度过快 药物在体内达不到有效浓度 24 少数酶活性轻度降低 正常 60 150 或升高 150 者不产生溶血 G6PD缺乏症呈世界性分布 我国主要分布在长江流域以南各省 尤以海南 广东 广西 云南 贵州和四川发生率高 约为5 20 G6PD缺乏症患者不仅对伯氨喹啉过敏 其它许多药物也可引起患者溶血 所以为临床方便起见 将能溶血的药物及化学制剂列于下表 25 G6PD缺乏症患者禁用的药物 抗疟药 伯氨喹啉 扑疟母星 氯喹 磺胺类 磺胺 乙酰磺胺 磺胺吡啶 TMP SMZ等 砜类药 氨苯砜 普洛明 止痛药 阿司匹林 非拉西丁 杀虫药 萘酚 锑波酚 来锐达唑 nitridazole 抗菌药 硝基呋喃类 氯霉素 对氨水杨酸其他 蚕豆 丙磺舒 bal 大量的Vk等 26 3 血卟啉症 血卟啉症 porphyrias 是一组涉及血红素合成有关酶遗传性缺陷所引起的先天性代谢病 可分为7型 该病大多数类型属于常染色体显性遗传 除其中有些类型表现为对光敏感 皮肤易出现红斑 水疱 溃疡和感染等症状外 其它常见类型 如急性间歇性 变异型等 主要表现为发作性腹绞痛 便秘 呕吐 周围神经运动障碍 肌无力 麻痹 以及精神症状 幻觉 精神错乱和焦虑等 尿中与粪中卟啉及卟啉前体物质增多 27 具有这种遗传缺陷的病人在缓解期可无症状 仅有尿和粪中卟啉类物质排泄增多 有多种药物可诱发本病急性发作 如巴比妥 利眠宁 眠尔通 磺胺类药 苯妥英纳 灰黄霉素 雌激素等 这可能是这些药物诱导 氨基 酮戊酸 ALA 合成酶的活性 加速卟啉合成代谢 促使发作 避免使用上述药物及其它诱发因素 如日晒 饮酒等 对预防本病的急性发作有重要意义 卟啉症的急性发作说明药物反应也可以在遗传病的基础上发生 28 4 过氧化氢酶缺乏症 过氧化氢酶缺乏症 acatalasia 患者红细胞中缺乏过氧化氢酶 当用过氧化氢消毒外科创面时 不能分解过氧化氢 使血红蛋白被氧化成棕黑色的高铁血红蛋白 使创面呈黑色 且无泡沫 患者约1 2患有齿槽溃疡 齿龈萎缩和牙齿脱落 本症为不完全显性遗传 我国华北此病发病率为0 65 过氧化氢酶的基因定位于11p13 29 5 恶性高热 恶性高热 malignanthyperthermia 是使用全身性吸入麻醉剂或肌肉松弛剂时的一种少见并发症 发病时体温突然升高 可达42度 并出现肌强直 心动过速 呼吸困难 换气过度 酸中毒 电解质紊乱 如不及时抢救 可因心脏停搏而致死 30 5 恶性高热 患者由于心肌和骨骼肌肌浆网膜与Ca2 的结合能力降低 导致大量Ca2 释放入肌浆产生肌强直和代谢亢进 体温升高 本病属于常染色体不完全显性遗传 19q13 1 具有恶性高热遗传素质的个体血清中磷酸肌酸肌酶 CPK 活性升高 麻醉前检查血清中的CPK水平可预测其危险性 31 6 琥珀酰胆碱敏感性 琥珀酰胆碱不仅可使一般骨骼肌松弛 而且可使呼吸肌麻痹 2 3分 有极少数人 1 2000 用药后呼吸停止1小时以上 如不及时抢救可导致死亡 琥珀酰胆碱在血液或肝脏中可被伪胆碱酯酶 酯酶 水解而解毒 作用短暂 敏感者脂酶活性缺乏 使琥珀酰胆碱作用时间延长而中毒 这种异常反应是由于患者血清中酯酶活性降低 含量不降低 不能及时水解琥珀酰胆碱而造成的 该病属于AR 控制酯酶的基因为E1和E2 有五种变异型 酶活性各有不同 32 第三节毒物反应的遗传基础 生态遗传学 由于生态环境造成的不同种族间的遗传差异 这种不同差异的遗传因素对环境因素的特殊反应方式和适应特点 即称为生态遗传学 ecogenetics 当然 环境因素中有一些是营养物质 化学物质以及一些潜在的毒性物质等 它们在不同种族的人体内的代谢途径受到特定基因型的制约 而发生不同反应 药物与毒物有时并没严格的界线 药物过量可引起中毒 少量毒物有时也可作为药物使用 因此研究毒物的中毒机理也可应用药物遗传学的某些原则 33 一 酒精中毒的遗传基础 人们对酒精的耐受性有种族和个体差异 酒精敏感者 当摄入0 3 0 5ml kg体重乙醇后 就可表现为面红耳赤 皮肤温度升高 脉率加快等酒精中毒症状 而酒精耐受者则不发生这些反应 黄种人中80 为敏感者 白种人中仅5 为敏感者 酒精 乙醇 在体内的代谢过程主要可分为两步 乙醇在肝中乙醇脱氢酶 alcoholdehydrogenase ADH 作用下形成乙醛 乙醛在乙醛脱氢酶 aldehydedehydrogenase ALDH 作用下进一步形成乙酸 如下式 34 C2H5OH NAD CH3CHO NADH H CH3CHO NAD H2O CH3COOH NADH H 乙醇在体内的代谢速度取决于肝中ADH和ALDH的活性 35 现知ADH为二聚体 由三种亚单位 组成 受控于三个不同的等位基因 即ADH1 ADH2和ADH3 各个等位基因各自控制合成不同的多肽链 酶 链主要在婴儿肝脏表达 成人主要是 链二聚体 ADH2具有多态性 多数白种人为ADH12 而90 黄种人为ADH22 其酶活性比ADH12高100倍以上 因此黄种人饮酒后 乙醇很快在高活性的ADH作用下转化成乙醛 乙醛刺激肾上腺素 去甲肾上腺素的分泌 引起面红耳赤 心率加快和皮温升高等症状 而白种人产生乙醛的速度较慢 故多无这些症状 36 ALDH主要有两种同功酶 ALDH2的活性大于ALDH1 白种人几乎都有ALDH1和ALDH2 而黄种人中仅50 的人有ALDH1 而无ALDH2 所以黄种人氧化乙醛的速度比白种人慢具有ADH22及ALDH1者对酒精敏感 具有ADH12及ALDH1者次之 具有ADH12及ALDH2者最不敏感 黄种人较白种人易产生酒精中毒的原因是由遗传决定的 大多数黄种人在饮酒后产生乙醛速度快而氧化为乙酸的速度慢 故易产生乙醛蓄积而中毒 大多数白人则与此相反 故不易发生酒精中毒 37 二 吸烟与肺癌 吸烟者易患肺癌 但远非所有嗜烟者均患肺癌 研究表明吸烟者是否患小细胞肺癌与个体遗传基础有关 烟叶中含有致癌的环状芳香碳氢化合物 苯并蒽 3 4苯并芘等 但致癌性较弱 这些物质进入机体后通过细胞微粒体中的芳烃羟化酶 arylhydrocarbonhydroxylase AHH 的作用可转变为具有较高致癌活性的致癌环化物 38 二 吸烟与肺癌 如果吸烟的多少相同 AHH活性高的人更易发生肺癌 缺乏AHH的抽烟者不会患小细胞肺癌 烟叶中的苯并蒽化合物还有诱导AHH活性的作用 其诱导作用的高低因人而异 也受遗传因素决定 调查揭示 如果以低诱导组发生肺癌的易感性为1 中诱导组为16 而高诱导组则为36 39 三 乳糖不耐受性所有婴儿都具有一种高活性的小肠乳糖酶 能水解乳汁中的乳糖 产生葡萄糖和半乳糖 被小肠吸收 多数人在断奶后 酶活性大大降低 失去水解作用 成年人进食牛乳或乳制品后 由于乳糖酶失去活性 乳糖不能被水解而潴留在肠内 通过渗透机理吸收水份 在结肠内被分解为乳酸 氢和二氧化碳 造成肠内积气 肠鸣 腹胀 稀便和腹泻等症状 40 成人低乳糖酶症在某些亚洲人群频率很高 几乎17 但在多数中欧和北欧人群及亚洲以牧业为主的人群中 存在一种突变型 到成年期仍能继续保持乳糖酶活性 这可能是由于在这些以牧业为主的社会中 经常食用乳品 使有关突变基因经过长期选择形成优势的结果 乳糖酶基因定位于2号染色体 其等位基因为引起乳糖酶持续性 LAC P 和乳糖限制性 LAC R LAC P为显性 但不是所有LAP R纯合子均出现乳糖吸收障碍的临床症状 41 表人类对环境物质易感性的遗传变异环境物质遗传易感性疾病紫外线白瞥的皮肤皮肤癌药物见 药物遗传性状 食物脂肪高胆固醇血症动脉粥样硬化蚕豆G6PD缺乏蚕豆病麸质麸质敏感性腹泻病盐钠 钾泵缺陷高血压 42 牛奶乳糖酶缺乏乳糖不耐受性酒精非典型乙醇脱氢酶 ADH 酒精中毒味精谷氨酸钠敏感性中国餐馆综合征草酸盐高草酸尿症肾结石吸入物灰尘 1 抗胰蛋白酶缺乏肺气肿香烟AHH诱导性肺癌变态反应原特异性反应哮喘感染免疫缺陷脊椎炎 第四节药物基因组学与个体化治疗 Pharmacogenomics IndividualizedTherapy 药物基因组学是基于功能基因组学与分子药理学的一门科学 它从基因水平研究基因序列的多态性与药物效应多样性之间的关系 即 研究基因本身及其突变体对不同个体药物作用效应差异的影响 以此为平台开发药物 指导合理用药 提高用药的安全性和有效性 避免不良反应 减少药物治疗的费用和风险 现在认为 对一个药物的总的药理作用来说都是由多基因控制的 在药物代谢过程中一系列蛋白和酶的基因都会对药物作用产生影响 44 药物反应的多基因控制 wt wt 野生型纯合子 wt m 野生型 突变型杂合子 m m 突变型纯合子 45 具有多态性的药物代谢酶 第I期的酶主要修饰底物功能基团 第II期的酶催化底物的结合反应 ADH 酒精脱氢酶 ALDH 甘油醛脱氢酶 CYP 细胞色素P450 DPD 二氢尿嘧啶脱氢酶 NQO1 NADPH 泛醌氧化还原酶 COMT 儿茶酚 O 甲基转移酶 GST 谷胱甘肽 S 转移酶 HMT 组织胺甲基转移酶 NAT N 乙酰基转移酶 STs 磺基转移酶 TPMT 巯基嘌呤甲基转移酶 UGTs 三磷酸尿苷葡糖醛酰基转移酶 46 细胞色素氧化酶P450 CYP 是存在于肝细胞内质网和线粒体内的氧化酶 主要对药物及其他代谢物进行氧化修饰 细胞色素氧化酶P450种类很多 有的底物可被几种细胞色素氧化酶P450催化 而有的细胞色素氧化酶P450可催化几种不同的底物 细胞色素氧化酶P450的基因命名为CYP 人类CYP2D基因位点定位于22q13 1 由CYP2D8P CYP2D7P和CYP2D6三个基因组成 尽管它们之间同源性很高 但CYP2D8P和CYP2D7P都是假基因 仅CYP2D6可产生蛋白质产物 47 如降压药异喹胍 debrisoquine 和催产药司巴丁 sparteine 由细胞色素氧化酶2D6氧化代谢而失活 大部分个体对以上两个药代谢正常 为强代谢者 extensivemetabolizer EM EM为显性遗传 药物代谢正常 有些个体代谢较弱 为弱代谢者 poormetabolizer PM PM为隐性遗传 对30余种重要药物有代谢障碍 药物不良反应增加 48 新药开发和临床治疗前景 1 寻找药物相关基因多种基因的多态性都会影响药物反应 单个核苷酸多态性 singlenucleotidepolymorphism SNP 估计全基因组中约有3x106 10 x106SNP国外已将6万个SNP标志用于临床药物研究 49 2 基因芯片技术 利用可迅速定出某一个体的基因型 然后与药物反应的表型进行相关分析 就可确定哪些多态性与药物反应相关 基因芯片是指利用大规模集成电路手段固相合成成千上万个寡核苷酸探针 并把它们有规律地排列在指甲大小的硅片上 然后将待研究的材料 DNA或cDNA 用荧光标记后在芯片上与探针杂交 再通过激光共聚焦显微镜对芯片进行扫描 并利用计算机系统对荧光信号作出比较和检测 50 DNA芯片工作原理 DNA方正的构建 样品DNA或mRNA的制备 杂交 杂交图谱的检测和读出 检测某种细胞或组织的全部基因表达图谱比较不同患者服药后基因表达图谱的差异分析药物在不同个体中作用机制及代谢等方面差异 51 52 蛋白质芯片 抗体固定在膜片或玻片上与细胞表达的各种蛋白质分别结合SNP位点可能正好在蛋白质抗原决定簇不同的基因型可产生不同的抗体检测哪种抗体与蛋白质结合个体是哪种基因型蛋白质表达图谱 53 药物的合理设计 设计化合物来填充蛋白质的位点 刺激或阻止蛋白质的相互作用 达到治疗的目的 避免毒性反应 通过基因分型而避免极少数病人因个体差异而受到严重的药物毒性反应 甚至丧失生命 如设计的药物在代谢中不需与细胞色素氧化酶P450中CYP2D6相互作用 以防止在个体中引起毒性反应 为病人选择最合适的药物 用SNP基因芯片在治疗前分析患者的基因型 从而为其选择最合适的药物 关键是基因芯片必须含有经过基因组扫描获得关键信息的SNP位点 这样就可判断患者对哪种药敏感 或对哪种药耐受 节省研究费用 有些药物的疗效很好 只是因为在一些人中有严重的副作用而不得不放弃 采用药物基因组学技术找出是哪种基因型个体有副作用 就可避免在这些个体中应用这种药物 54 个体化治疗 鼓励个人和家庭建立各种细胞 组织和体液等样品的数据