药物基因组学-选修课.ppt

药物基因组学,李芹副教授,基因（Gene）：生物体的遗传单位，由脱氧核糖核酸（DNA）组成。DNA由4种核苷酸（A、T、C、G）组成。,人类基因组的23对染色体,从DNA到蛋白质,FromDNAtoHuman,人类基因组计划（humangenomeproject,HGP）,1985年美国科学家诺贝尔奖获得者RenatoDulbecco率先提出1990年正式启动美、英、法、德、日、中2000年6月26日人类基因组工作草图完成。,我国94年启动“中华民族基因组若干位点基因研究”“重大疾病相关基因研究”课题，99年承担了人类基因组1%序列的测序任务，负责第3号染色体3千万核苷酸的序列测定工作。,在人类基因组计划中，还包括对五种生物基因组的研究：大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇和小鼠，称之为人类的五种“模式生物”。,什么是基因组(Genome)?基因组就是一个物种中所有基因的整体组成。人类基因组有两层意义：遗传信息和遗传物质。要揭开生命的奥秘，就需要从整体水平研究基因的存在、基因的结构与功能、基因之间的相互关系。HGP：为30多亿个碱基对构成的人类基因组精确测序，发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息。,HGP的目的是解码生命、了解生命的起源、了解生命体生长发育的规律、认识种属之间和个体之间存在差异的起因、认识疾病产生的机制以及长寿与衰老等生命现象、为疾病的诊治提供科学依据。,人类基因组计划（humangenomeproject,HGP）,后基因组时代,人类后基因组计划是由序列（结构）基因组学向功能基因组学的转移。,前基因组时代的“钓鱼”和后基因组时代的“捞鱼”,人类后基因组时代的特点,人类首次了解了自身的基因序列，了解了很多远亲生物的基因序列人类正在面对指数扩增的基因序列资料和各种数据库人类面临的挑战是如何将基因序列资料转变为有用的知识，进而让这些知识服务于人类，使之能够造福于人类的健康。,人类功能基因组学研究以全基因组为背景，开展人类基因及其编码蛋白的功能研究。目前虽然完成了绝大部分基因的序列分析，但约60%的人类基因的功能未知。目前认为人类有3.2万个基因，其中1.5万已知功能，1.7万未知功能。,人类功能基因组学研究涉及众多的新技术，包括生物信息学技术、生物芯片技术、转基因和基因敲除技术、酵母双杂交技术、基因表达谱系分析、蛋白质组学技术、高通量细胞筛选技术等。人类功能基因组学必须多学科协作生物信息学是人类功能基因组学研究的必要工具,人类功能基因组,计算机科学家,生物化学家,细胞生物学家,结构生物学家,生理学家,遗传学家,临床和病理学家,功能基因组学是基因组时代的核心和焦点。其所要解决的问题包括如何识别基因组组成元素及注释重要元素的功能。比较基因组学基因组的各个基因及其产物之间互相关联，互相作用。对同一物种不同个体的基因组进行比较，以及对不同物种的基因组进行比较，不仅可以揭示生命的起源、进化等重大生物学问题，还具有潜在的实用价值。,后基因组时代研究的重要方向,结构基因组学即借助计算机技术，模拟出未知基因的蛋白质产物的立体结构，从而根据结构与功能的关系进行预测，还可以深入探求蛋白质为何具有特定的生物学功能。蛋白质组学蛋白质随发育阶段、特定组织甚至所处环境的变迁而变化，反映了蛋白质后加工等作用，蕴藏着巨大的动态的生命活动信息量。基因序列分析难以处理的没有任何可比较序列的孤儿基因，有望从蛋白质组的表达变化规律中找到其生物学功能的线索，进而揭示出其在整个功能网络中的地位。,后基因组时代研究的重要方向,药物基因组学这是后基因组提出的一项重要课题。研究的主要内容是人的基因多型性或变异性是如何影响药物效果和安全性的。代谢组学研究生命个体对外源性物质(药物或毒物)的刺激、环境变化或遗传修饰所做出的所有代谢应答的全貌和动态变化过程。研究机体代谢产物谱变化，广泛地应用于新药研制从早期发现到临床开发的全过程。,后基因组时代研究的重要方向,药物疗效和毒副作用的个体间差异一直是困扰临床治疗的一个重大问题研究表明除了病因、病情、药物相互作用、年龄、营养状况、肝肾功能等原因外,药物转运蛋白、药物代谢酶、药物作用靶标等药物效应基因的多态性是影响药物代谢与疗效的关键因素。在此基础上,提出了药物基因组学的概念,药物基因组学的产生,药物基因组学的产生,20世纪50年代,遗传药理学(pharmcogenetics)被正式提出,主要研究药物代谢酶的基因多态性及其对药物作用的影响等。80年代,发现基因序列的差异对药物效应有不同的影响。,遗传药理学（Pharmacogenetics）,药物基因组学（Pharmacogenomics）,基因组序列数据库,蛋白表达数据库,表达序列数据库,SNP数据库,药物基因组学的产生,1997年6月,Abbott-Geneset两大制药公司共同发起了药物基因组计划,Abbott-GenesetAlliance的诞生,标志着药物基因组学时代的到来。1998年6月,美国国立普通医学科学研究所(NIGMS)建议启动药物基因组学计划,即从表现型到基因型药物反应的个体多样性的研究,重点研究对药物反应表现型相关的基因型。,药物基因组学,基因多态性,药物作用多样性,个体差异,基因水平,个体化用药,药物基因组学的概念,药物基因组学是以提高药物的疗效及安全性为目标,研究影响药物吸收、转运、代谢、消除等个体差异的基因特性,以及基因变异所致的不同病人对药物的不同反应,并由此为平台开发新药、指导合理用药,提高药物作用有效性、安全性和经济性的科学。,基因多态性是药物基因组学的基础和重要研究内容药物代谢酶药物转运蛋白药物作用靶点,药物基因组学的研究内容,药物代谢酶多态性由同一基因位点上具有多个等位基因引起,其多态性决定表型多态性和药物代谢酶的活性,并呈显著的基因剂量-效应关系,造成不同个体间药物代谢反应的差异,是产生药物毒副作用、降低或丧失药效的主要原因之一。,药物基因组学的研究内容,转运蛋白在药物的吸收、排泄、分布、转运等方面起重要作用,其变异对药物吸收和消除具有重要意义大多数药物与其特异性靶蛋白相互作用产生效应,药物作用靶点的基因多态性使靶蛋白对特定药物有不同亲和力,导致药物疗效的不同。,药物基因组学的研究内容,内外源性物质代谢的单加氧酶人体内有35种CYP450基因，分为14个家族13家族与外源性物质代谢有关个体CYP450表型的不同会影响到CYP450代谢药物在体内的清除率许多因素会影响CYPP450的活性：基因型、种族、环境、疾病等,CYP450酶系,药物代谢酶的多态性,2020/6/9,30,影响CYP3A表达的SNP对药物代谢产生不同作用,CYP450,阐明分子结构与分布,提高用药安全性、有效性,预测药物作用强弱,根据病人基因型选择药物,药物筛选,调整用药剂量,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,寻找变异基因序列,确定基因对药物效应的多态性。方法学上依赖于药理学、生物化学、遗传学及基因组学,其中特别需要高效的基因变异检测方法,即从众多的个体中获得某等位基因产物,检查其变异,并确定变异基因的序列变化。,CYP450基因多态性研究方法,基因型代谢表型（探针药物）,CYP450基因多态性研究方法,基因型的测定,基因芯片法等位基因特异性PCR扩增法PCR-RFLP法DNA测序法,CYP2D6*10W/2M,杂交区域,基因芯片法,等位基因特异性PCR扩增法,合成特异性引物,PCR,凝胶电泳,PCR-RFLP法,DNA测序法,CYP1A2的基因多态性,CYP2C9的基因多态性,CYP2D6的基因多态性,CYP2C19的基因多态性,70多种突变基因种族差异CYP2D6*4、CYP2D6*5、CYP2D6*6和CYP2D6*3西方人弱代谢CYP2D6*17非洲人弱代谢CYP2D6*2、CYP2D6*10亚洲人近百种底物：抗心律失常药、受体阻滞剂、抗高血压药、抗抑郁药以及抗精神病药,CYP2D6基因多态性,CYP2D6基因分型芯片扫描图像,CYP2D6*10W/*2W,CYP2D6*10W/*2M,CYP2D6*10W/*2H,CYP2D6*10H/*2H,CYP2D6*10H/*2M,CYP2D6*10M/*2H,CYP2D6*10M/*2M,DNA测序结果,CYP2D6*2H,CYP2D6*10M,2020/6/9,48,Fig2.ThefrequencyofCYP2D6*2andCYP2D6*10inChinesepopulation,QinLi,etal.ChinMedJ,2006,6,代谢表型测定,探针药物法单一探针药物法组合探针法（cocktail探针药物法）,单一探针药物法,选用只被一种特定的酶亚型催化或者即使被几种亚型催化但已确知其代谢途径及其产物的物质，通过测定其体内的代谢速率，如在尿中、血中或者唾液中的原型物与代谢产物浓度的比值来作为评价该酶的活性的指标。,CYP3A4的底物,续,CYP2C19的底物,中国5个民族CYP2C19表型分布,CYP1A2,CYP2D6的底物,PM,EM,Hours,PlasmaMetoprololConcentration(mg/L),不同种族CYP2D6PM发生率,CYP1A2,常用的探针药物,CYP3A4：咪达唑仑、氨苯砜、奎宁CYP1A2：咖啡因CYP2D6：美托洛尔、右美沙芬、异喹胍CYP2C9：甲苯磺丁脲、双氯酚酸CYP2C19：奥美拉唑、美芬妥英CYP2E1：氯唑沙宗,2020/6/9,61,美托洛尔,美托洛尔是选择性1受体阻断药.主要经两条途径代谢：O去甲基代谢和羟化代谢。其中羟化代谢生成羟基美托洛尔，几乎由CYP2D6单一途径代谢而成。个体差异大。中国人临床用药剂量为12.5mg50mg。西方人临床用药剂量100mg200mg。,？,根据第一部分基因芯片分型结果，将中国健康志愿者分为四组：第1组：CYP2D6*1/*1第2组：CYP2D6*2/*2第3组：CYP2D6*2/*10第4组：CYP2D6*10/*10每组筛选10人，共40人。年龄在1845岁之间，身高和体重均在标准范围内,CYP2D6代谢表型研究,四组健康志愿者单次口服100mg酒石酸美托洛尔的血药浓度均值-时间曲线,QinLi,etal.ClinPharRev,2008,5QinLi,etal.JClinPharmTher,2009,34(5):1-9,健康志愿者单次单服100mg酒石酸美托洛尔后羟基美托洛尔的血药浓度均值-时间曲线,*,*,*#,*#,不同CYP2D6基因型健康志愿者单服100mg美托洛尔的清除率,Cocktail探针药物法,Cocktail探针药物法是指同时给予多种相对低剂量的探针药物，测定生物样本中每个探药的代谢率或其他代谢分型指标，以获取多个代谢酶的表型信息，对于那些有多重代谢途径的剂量设计有极为重要意义。优点：减少分析周期、提高分析效率减少个体内的差异考虑到了环境等因素对代谢酶活性的影响,Cocktail探针药物法,“Cocktail”法评价肝缺血再灌与缺血预适应对大鼠细胞色素P450酶活性的影响LiuY,LouJS,etal.BiolPharmBull.2009Apr;32(4):717-20.专利：No.200810110435.6No.200810110436.0,fiveprobescocktail,Cocktail探针药物法同时测定六种主要CYP450同工酶的活性,建立新药细胞色素P450代谢途径筛选模型,天津市自然科学基金重点项目（09JCZDJC21500）,高等学校博士学科点专项科研基金（新教师基金）,药物基因组学的研究状况,基因多态性与药效基因多态性与药物毒性表达水平多态性基因多态性与群体基因多态性与疾病易感性,不同CYP2C19基因型溃疡病患者经奥美拉唑治疗后的溃疡愈合率（FurutaT,etal,1999）,73,CYPlA2活性增强可能是结肠癌、膀胱癌和肺癌的危险因素。,2020/6/9,CYP1A2参与烟中多环芳烃化合物的代谢，使其活化为致癌物。Nakachi等对日本人的研究发现，具有C基因型的个体患肺癌的危险性是其它基因型个体的7.3倍。,基因多态性与疾病易感性,药物基因组学的应用前景,合理用药，个体化治疗合理用药的核心是个体化给药。基因多态性决定了病人对药物的不同反应,依据病人的基因组特征优化药物治疗方案,实现药物的个体化治疗,可同时减少药物治疗的费用和风险,降低病人的治疗成本。,疾病诊断,药物1,药物2,药物3,疾病诊断,药物1,药物2,药物3,药物敏感性测定,目前的疾病治疗,将来的疾病治疗,为药物开发开辟一个全新领域药物基因组学以人类基因组中所有基因信息指导新药开发,在整体基因组水平研究遗传因素对药物治疗效果的影响,适用于药物设计、临床试验、批准上市、使用等药物开发的整个周期,将使药物开发进入以基因为基础的药物发现和开发的新的历史阶段。,药物基因组学的应用前景,改变传统的“一个药物适于所有人”的药物开发模式和观点,根据基因的特性为某个群体、甚至个体设计药物,推动药物开发的全过程,使药物开发周期缩短,费用降低。21世纪的药物是为每一个人设计的，因为随着基因芯片技术的普及和基因科学研究的深入，人们将会发现每个人对药物敏感的基因、耐药基因以及各种抗病基因表达各不相同，为达到最佳疗效，药学家的任务之一是开发具有个体特异性的药物。,对药物经济学的意义药物基因组学使病人在用药前进行基因变异分析，可减少出现无效处方的可能性，减少病人就诊次数，使药物不良反应和抗药的危险降到最低程度，达到节约医疗费用的目的。,药物基因组学的应用前景,著名基因科学家克雷格文特尔,个人DNA图谱,2007年9月，利用基因排序技术，科研人员成功绘制了著名基因科学家克雷格文特尔个人完整的DNA蓝图。文特尔的基因编码，与2001年“人类基因组计划”发表的两份人类基因组图谱作了比较，结果表明